Nghiên cứu hiện trạng xói cục bộ sau các cống vùng triều của tỉnh nghệ an và các giải pháp khắc phục

Tuy nhiên do đặc thù của dòng chảy, nhất là nước chảy qua các công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn, có năng lượng thừa lớn khi chảy xuống hạ lưu làm xói lở công trình.

đỡ quý báu của các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình cùng sự nỗ lực của bản

thân đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Quản lý xây

dựng đề tài "Nghiên cứu hiện trạng xói cục bộ sau các cống vùng triều của tỉnh

Nghệ An và giải pháp khắc phục"

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Thủy

lợi đặc biệt là các thầy cô trong khoa Công trình đã nhiệt tình giảng dạy, tạo các

điều kiện tốt nhất có thể cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trường

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo GS.TS Phạm Ngọc Quý và

thầy giáo PGS.TS Đỗ Tất Túc đã hướng dẫn tận tình giúp tôi hoàn thành luận văn

tốt nghiệp

Đồng thời, tôi xin cảm ơn ban lãnh đạo và các anh, chị trong ban quản hệ

thống Bắc Nghệ An đã tạo điều kiện cho tôi thu thập dữ liệu, để thực hiện được luận

văn Tôi cũng xin gửi lời cảm đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã hỗ

trợ, chia sẻ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận

văn

Do trình độ, kinh nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên

luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận được những ý

kiến đóng góp của quý báu của các thầy cô và bạn bè

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng8 năm 2013 Tác giả luận văn

Bạch Thị Thúy Hoa

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được

ai công bố trong tất cả các công trình nghiên cứu nào trước đây Tất cả các trích dẫn

đã được ghi rõ nguồn gốc

Hà Nội, tháng 8 năm 2013

Tác giả luận văn

Bạch Thị Thúy Hoa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÓI SAU CỐNG 1

1.1 Khái niệm chung về xói lở hạ lưu công trình 3

1.1.1 Khái quát chung về tiêu năng 3

1.1.2 Các hình thức tiêu năng 3

1.1.3 Nghiên cứu về xói cục bộ hạ lưu công trình 8

1.2 Đặc điểm cống vùng triều 10

1.2.1 Đặc điểm cống vùng triều 10

1.2.2 Các dạng đặc trưng của xói hạ lưu cống vùng triều 12

1.3 Tổng quan chung tình hình thiết kế và kết cấu tiêu năng cống vùng triều 13

1.4 Những kết quả nghiên cứu về xói ở trong nước và ở ngoài nước 15

1.4.1 Những kết quả nghiên cứu về xói ngoài nước 15

1.4.2 Những kết quả nghiên cứu về xói trong nước 21

CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG XÓI SAU CÁC CỐNG TỈNH NGHỆ AN 25

2.1 Điều kiện tự nhiên dân sinh kinh tế tỉnh Nghệ An 25

2.1.1 Điều kiện tự nhiên 25

2.1.2 Tình hình kinh tế xã hội 26

2.1.3 Tình hình thiên tai 27

2.2 Hiện trạng xói và phân loại xói sau các cống vùng triều tỉnh Nghệ An 30 2.2.1 Hiện trạng của các cống vùng triều tỉnh Nghệ An 30

2.2.2 Phân loại hình thức xói sau các cống vùng triều 31

2.3 Đánh giá xói sau cống vùng triều 33

2.3.1 Đánh giá thực tế một số cống bị xói lở bất lợi 33

2.3.2 Đánh giá về nguyên nhân và giải pháp khắc phục 36

2.3.3 Biện pháp khắc phục: 43

2.3.4 Các vấn đề tồn tại và hướng giải quyết 44

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CHỐNG XÓI HẠ LƯU 45

CỐNG VÙNG TRIỀU 45

3.1 Phân tích những đặc thù cống vùng triều tỉnh Nghệ An 45

3.1.2 Đặc điểm địa chất 46

3.1.3 Đặc điểm kết cấu cống 47

3.2 Nguyên tắc chung của giải pháp phòng chống xói 48

3.2.1 Giải pháp chống xói phải xuất phát từ nguyên nhân gây xói 48

3.2.2 Tăng cường gia cố, bảo vệ hạ lưu cống 50

3.2.3 Rà soát, bổ sung, thay đổi quy trình vận hành 50

3.3 Các giải pháp phòng chống xói 51

3.3.1 Các giải pháp công trình 51

3.3.2 Các giải pháp phi công trình 64

CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG XÓI 66

CHO CỐNG DIỄN THÀNH 66

4.1Giới thiệu chung về công trình 66

4.1.1 Vị trí công trình 66

4.1.2 Nhiệm vụ công trình 66

4.1.3 Các chỉ tiêu thiết kế trước đây của cống Diễn Thành 67

4.1.4 Quy mô công trình: 67

4.2 Quá trình xây dựng và hiện trạng cống Diễn Thành 68

4.2.1 Tiêu năng, phòng xói 68

4.2.2 Kênh dẫn thượng hạ lưu cống: 68

4.2.3 Đánh giá hiện trạng cống: 70

4.3 Phân tích hiện trạng và đề xuất các phương án phòng chống xói 71

4.3.1 Sự cần thiết phải khắc phục xói 71

4.3.2Các phương án phòng chống xói cho cống Diễn Thành 72

4.4 Chọn phương án phòng chống xói cho cống Diễn Thành 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Hình 1.1: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng 4

Hình 1.2: Sơ đồ tính toán chiều cao tường tiêu năng 4

Hình 1.3: Sơ đồ tính toán bể tường kết hợp 5

Hình 1.4: Bể tiêu năng kiểu III 6

Hình 1.5: Bể tiêu năng kiểu II 6

Hình 1.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng mặt 7

Hình 1.7: Sơ đồ cống và hố xói 11

Hình 1.8: Hình thành hố xói sau bể tiêu năng 13

Hình 1.9: Sơ đồ tính toán đập xả mặt kết hợp xả đáy 16

Hình 1.10: Đường quan hệ giữa chiều sâu hố xói và mực nước hạ lưu đập xả mặt kết hợp xả đáy 16

Hình 1.11: Sơ đồ tính toán xói sau tràn qua đập có cột nước tràn tự do 17

Hình 1.12: Đường quan hệ giữa tính toán theo công thức 19 và đo đạc thực nghiệm 17

Hình 1.13: Hố xói sau công trình có mái dốc 18

Hình 1.14: Đường quan hệ Arun Goel dung tích hố xói và chiều sâu mực nước hạ lưu 20

Hình 2.1: Bình đồ vị trí cống vùng triều tỉnh Nghệ An 29

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn các loại cống trong công trình thuỷ lợi Nghệ An 30

Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn phân loại cống vùng triều theo hiện trạng sử dụng 30

Hình 2.4: Cắt dọc cống Rào Đừng 34

Hình 2.5: Ảnh hưởng dòng thấm đến xói lở hạ lưu công trình 37

Hình 2.6:.Dòng chảy ngoằn ngoèo sau cống 38

Hình 2.7: Dòng chảy sau cống 40

Hình 2.8: Ảnh hưởng của độ mở cửa van 42

Hình 2.9: Khắc phục xói sau cống 43

Hình 3.1: Các dạng đường thuỷ triều tỉnh Nghệ An 45

Hình 3.2: Mặt cắt địa chất cống vùng triêu 46

Hình 3.4: Cửa van mở chưa hết - gây lệch dòng chảy 49

Hình 3.5: Kích thước bể tiêu năng không đảm bảo 51

Hình 3.6: Kích thước bể tiêu năng đảm bảo 51

Hình 3.7: Bể tiêu năng cũ 59

Hình 3.8: Bể tiêu năng sau khi tăng chiều dài 59

Hình 3.9: Cửa van cung cống Rào Đừng 60

Hình 3.10: Sửa đổi kết cấu đáy cống- cửa van mở hết 63

Hình 3.11: Hệ thống phòng xói liên hoàn 63

Hình 4.1 Vị trí cống Diễn Thành hiện trạng nhìn từ Google Earth 69

Hình 4.2 Thượng lưu cống Diễn Thành 70

Hình 4.3 Mặt bằng, thượng lưu cống 69

Hình 4.4:Cắt dọc hiện trạng cống Diễn Thành 71

Hình 4.5: Sơ đồ tính toán tiêu năng cho cống Diễn Thành 74

Hình 4.6: Phương án tiêu năng phòng xói thứ hai 78

Bảng 1.1: Tình hình xói lở một số cống vùng triều 13

Bảng 2.1: Hình thức và hiện trạng cống vùng triều tỉnh nghệ An 31

Bảng 2.2: Phân loại theo hình thức xói 32

Bảng 2.3: Phân loại theo chức năng, nhệm vụ,cấp công trình 32

Bảng 2.4: Phân loại theo hình thức, tiêu năng, cửa van 33

Bảng 2.5: Bảng tính toán xói cho cống Diễn Thủy 34

Bảng 2.6: Bảng tính toán xói cho cống Rào Đừng 35

Bảng 2.7: Bảng tính toán xói cho cống Hói Cống 36

Bảng 3.1: Bảng tính tiêu năng trước khi xói hạ lưu 52

Bảng 3.2: Bảng tính tiêu năng sau khi xói hạ lưu 52

Bảng 4.1: Tính toán tiêu năng theo thiết kế và theo hiện trạng 70

Bảng 4.2: Bảng tính chiều sâu nước h1 74

Bảng 4.3: Bảng tính chiều sâu nước h2 75

Bảng 4.4: Tính h1với dgt=1,69 m 76

Bảng 4.5 Tính h2 với dgt=1,69 m 76

Bảng 4.6 So sánh kết quả tính kích thước bể 77

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm qua công tác đầu tư xây dựng trong lĩnh vực nông nghiệp

và phát triển nông thôn đã được Đảng, Nhà nước đặc biệt quan tâm, ưu tiên Nhờ đó hàng loạt các công trình Thủy Lợi được đầu tư xây dựng và đã có những bước tiến vượt bậc kỹ thuật Tuy nhiên do đặc thù của dòng chảy, nhất là nước chảy qua các công trình tháo thường là dòng chảy xiết có lưu tốc lớn, có năng lượng thừa lớn khi chảy xuống hạ lưu làm xói lở công trình Đây là vấn đề đã được nhiều chuyên gia trong ngành thủy lợi dày công nghiên cứu nhưng trên thực tế vẫn còn những tồn tại chưa giải quyết triệt để được

Trên vùng đất Nghệ An có bờ biển dài hơn 200km, đặc biệt là các cửa sông đều có ảnh hưởng của triều Các cống vùng triều hầu hết làm nhiệm vụ tiêu úng và tiêu lũ, ngăn mặn, giữ ngọt Các cống này đã được xây dựng từ lâu hoặc đang xây dựng đều phát huy hiệu quả tốt Tuy nhiên qua khảo sát hiện trạng các cống vùng triều đều cho thấy vấn đề tiêu năng có nhiều tồn tại cần được khắc phục Ví dụ: cống Diễn Thành, Diễn Thụy, Nghi Quang, Hói Cống…Các cống này đều bị xói lở mạnh phần tiêu năng đặc biệt như cống Diễn Thành, Hói Cống

Để bảo đảm yêu cầu chống xói cho hạ lưu cống vùng triều nhằm tăng ổn định cho công trình vấn đề nhất thiết đặt ra là phải có tài liệu mang tính chất nghiên cứu, hướng dẫn thiết kế nhằm khắc phục được tình trạng trên

II Mục đích của đề tài

Đánh giá được hiện trạng các công trình đập dâng tràn và hiện tượng xói hạ lưu cống vùng triều Nghệ An

Đưa ra được các biện pháp khắc phục các hiện tượng xói, các biện pháp công trình mới để giảm thiểu hiện tượng xói

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Tiếp cận tổng hợp: Tổng quan về tình hình xây dựng cống vùng triều Nghệ An, các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở tiêu năng sau cống

Tiếp cận kế thừa: Các kinh nghiệm và phương pháp tính toán xác định các thông số trong xói lở hạ lưu cống trong các nghiên cứu trước đây cũng được tham khảo trong luận văn

Phương pháp nghiên cứu lý luận: Các lý thuyết về quá trình xói và hình thức xói được nghiên cứu một cách đầy đủ Phân tích các kết quả nghiên cứu có liên quan về vấn đề xói ở hạ lưu cống

Phương pháp so sánh thực tế: Thống kê các cống vùng triều đã và đang xuất hiện hiện tượng xói ở hạ lưu Phân tích nguyên nhân và bản chất gây ra xói

Phương pháp điều tra: Khảo sát, điều tra đánh giá các cống vùng triều trong tỉnh Nghệ An nhằm phát hiện ra các quy luật của hiện tượng xói

IV Kết quả dự kiến đạt được

- Phân tích rõ những cơ sỏ nghiên cứu lý thuyết khi nêu ra định hướng các giải pháp phòng chống xói

- Sử dụng những kết quả nghiên cứu trên và các tài liệu thiết kế và hiện trạng

để thiết kế cho công trình Cống Diễn Thành, Diễn Châu,Nghệ An

- Kết luận và kiến nghị

V Nội dung của 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 Ngoài phần mở đầu, phần kết thúc phần phụ lục, danh mục tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận văn gồm 4 chương chính

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ XÓI SAU CỐNG

1.1 Khái niệm chung về xói lở hạ lưu công trình

1.1.1 Khái quát chung về tiêu năng

Là tìm các biện pháp làm tiêu hao toàn bộ hay một phần năng lượng thừa của dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu khi đi qua các công trình trên sông, trên kênh, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một đoạn ngắn nhất, rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu công

trình

Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là: Tiêu năng đáy với các hình thức như đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp; tiêu năng mặt; tiêu năng phóng

xa và một số hình thức tiêu năng đặc biệt

Về lưu lượng tính tiêu năng thì một số nước trên thế giới lấy lưu lượng ứng với tần suất thiết kế đập tràn, một số nước lấy với một tần suất cụ thể Ở Việt Nam thì chưa có quy định nào về lưu lượng tính tiêu năng Về lý thuyết thì lưu lượng tính tiêu năng chính là lưu lượng tạo ra năng lượng thừa lớn nhất Tuy nhiên cơ chế tiêu hao năng lượng dư ở hạ lưu là rất phức tạp nên tính toán theo tiêu chuẩn này thì cũng không thể tiêu hao hết năng lượng dư trong mọi trường hợp

1.1.2 Các hình thức tiêu năng

1.1.2.1 Tiêu năng dòng đáy:

a Nguyên lý chung: Tiêu năng dòng đáy là hình thức lợi dụng nội ma sát để tiêu hao năng lượng thừa Tức là tìm biện pháp công trình sao cho toàn bộ năng lượng thừa bị tiêu hao trong nước nhảy ngập với hệ số ngập σ = 1,05-:-1,1 Nhóm giải pháp này gồm: đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp Ngoài ra ta có thể kết hợp với một số các thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tường hướng dòng, thay đổi độ dốc của bể cho phù hợp với mực nước hạ lưu

Tiêu năng đáy phù hợp với các công trình tháo có cột nước thấp và địa chất nền yếu, mực nước hạ lưu thay đổi

b Xác định độ sâu đào bể:

Hình 1.1: Sơ đồ tính toán độ sâu đào bể tiêu năng

- Công thức tính toán: dbể = hb - hh - ∆Z (1-1)

- Trong đó:

dbể: Chiều sâu đào bể;

hb: Độ sâu cuối bể; hb= σ.h”;

hh: Độ sâu mực nước hạ lưu;

∆Z: Độ chênh mực nước cuối bể và hạ lưu, xác định theo quy luật đập tràn đỉnh rộng

c Xác định chiều cao tường:

Hình 1.2: Sơ đồ tính toán chiều cao tường tiêu năng

l roi

h h

h b l'

d

Z

- Khi tính toán tường tiêu năng thì phải kiểm tra lại nước nhảy sau tường để có giải pháp công trình phù hợp

+ Chọn các giá trị d = d0 + ∆d để có nước nhảy ngập trong sân tiêu năng với

hệ số ngập σ = 1,05-:-1,1 và C = C0 - ∆C để có nước nhảy ngập sau tường

e Xác định chiều dài bể tiêu năng:

h h

H 1

h b d c

f Hình thức tiêu năng của Cục khai hoang Hoa Kỳ:

- Hiện nay việc tính toán cụ thể cho công trình tiêu năng là cần thiết, nhưng theo

xu hướng chung các công trình có thể áp dụng các tiêu chuẩn của Mỹ hay các nước châu Âu khác như áp dụng các bể tiêu năng đã được tiêu chuẩn hóa

Hình 1.4: Bể tiêu năng kiểu III Hình 1.5: Bể tiêu năng kiểu II

1.1.2.2 Tiêu năng dòng mặt

a Điều kiện áp dụng

- Nền công trình cấu tạo địa chất yếu, mềm

- Bậc thụt ở hạ lưu có đỉnh thấp hơn mực nước hạ lưu, thỏa mãn điều kiện:

a > amin = 0,27hk – 4,32h

- Điều kiện để nối tiếp chảy mặt ổn định a/P > 0,2

Trong đó:

hk: Là độ sâu phân giới trên dốc, h là độ sâu mũi bậc)

P: chiều cao công trình tràn

- Lưu lượng qua công trình vừa và lớn, nhưng chênh lệch mực nước thượng

hạ lưu không lớn lắm

- Bờ hạ lưu công trình cần phải ổn định

- Đối với những nơi có lưu lượng lớn thì nên chọn tiêu năng dòng phễu và hh

lớn sẽ có hiệu quả cao hơn

Hình 1.6: Sơ đồ tính toán tiêu năng mặt

b Bố trí và tính toán tiêu năng dòng mặt

- Nguyên tắc bố trí: Hình dạng kích thước của bậc mũi phun sao cho đảm bảo hiệu quả tiêu năng, xung vỗ hạ lưu là nhỏ nhất và có giải pháp hữu hiệu bảo vệ hạ lưu

- Chiều cao nhỏ nhất của bậc khi tràn không có cửa van

+ Không tạo dòng phun với lưu lượng nhỏ nhất

+ Không có dòng hồi lưu với lưu lượng lớn nhất + Chiều cao bậc phải lớn hơn chiều cao nhỏ nhất amin:

h h

E

amin = 0,27hk – 4,32h (1-4)

amin =(4,053 F rc −η)h (1-5) Trong đó:

hk: độ sâu phân giới;

h: chiều dày lớp nước trên mũi phun bậc;

gh

V

F rc

2 1

= với V1 là lưu tốc trên mũi bậc;

η = 0,4φ + 8,4 với φ là góc giữa tiếp tuyến của đường cong tại chỗ dòng chảy

đi qua mũi phun và phương ngang

- Chiều cao nhỏ nhất của bậc khi tràn cửa van: Nguyên tắc thiết kế là phải căn cứ vào chiều sâu mực nước hạ lưu hh:

+ hhphải đảm bảo trong suốt quá trình vận hành sao cho ứng với mọi cấp lưu lượng đều có chế độ chảy mặt

+ Khi mực nước hạ lưu nhỏ phải chọn góc nghiêng cho hợp lý

- Góc nghiêng ở đỉnh bậc θ: đối với tiêu năng dòng mặt thì đỉnh bậc nằm ngang, chỉ trong trường hợp hhnhỏ thì thiết kế bậc có góc nghiêng nhỏ

1.1.3 Nghiên cứu về xói cục bộ hạ lưu công trình

1.1.3.1 Khái niệm

Tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng, song do điều kiện biên thay đổi kết hợp với năng lượng vốn có của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, tốc độ dòng chảy tăng lên, tạo nên động năng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình học và hình dạng của lòng dẫn ở hạ lưu Xói xuất hiện ngay ở chân công trình, nơi

có lưu tốc rất lớn và phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn 1.1.3.2 Quá trình xói có thể chia làm ba giai đoạn [Nối tiếp và tiêu năng]

+ Giai đoạn đầu: Xói trong thời gian tương đối ngắn, hố xói được tạo nên rất nhanh

+ Giai đoạn hai: Xói trong giai đoạn này diễn ra từ từ, sự hủy hoại lòng dẫn diễn ra tương đối chậm, thời gian diễn ra giai đoạn này là rất lớn

+ Giai đoạn ba: Sự mở rộng của xói đến một chiều dài nhất định ở hạ lưu dẫn đến giảm cao trình đáy của lòng dẫn, giai đoạn này kéo dài bao lâu tùy thuộc vào độ dốc của lòng dẫn

Xói cục bộ của lòng dẫn ngay sau chân công trình thủy lợi có rất nhiều nguyên nhân khác nhau:

- Do không tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng nước từ thượng lưu đổ về

hạ lưu

- Việc co hẹp lòng dẫn (do xây dựng công trình) đã dẫn đến việc tăng lên một cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưu tốc dòng chảy sau công trình trong sự so sánh với lưu lượng, lưu tốc dòng chảy trong điều kiện tự nhiên Ở hạ lưu công trình xuất hiện dòng chảy với mạch động rất lớn của lưu tốc và áp lực

- Do hình thức, kích thước và vật liệu không hợp lý ở nhiều bộ phận kết cấu công trình tạo những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói

- Dòng chảy qua công trình vượt qua sức chịu theo thiết kế của nó

Xói có thể xảy ra với chế độ chảy đáy và cả chế độ chảy mặt ở hạ lưu công trình

Xói sau công trình dẫn nước, tháo nước, lấy nước đã được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu về lĩnh vực này, đã thu được kết quả nhất định về nguyên nhân, bản chất của xói về kích thước hình học của hố xói, hình dạng hố xói và xói theo thời gian

Xói cục bộ sau công trình thủy lợi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:

+ Các yếu tố công trình :

- Chiều cao ngưỡng tràn

- Hình dạng kích thước và vị trí cửa van

- Chiều dài toàn bộ đọan gia cố

- Hình thức và kích thước thiết bị tiêu năng

- Chiều rộng tràn nước và chiều rộng lòng dẫn hạ lưu

- Hình dạng và kích thước mố trụ

- Hình dạng mặt cắt tràn

- Hình dạng và kích thước công trình nối tiếp

- Độ dốc lòng dẫn

+ Các yếu tố thuỷ lực, thuỷ văn:

- Khối lượng riêng của nước, hệ số nhớt động học

- Lưu tốc trung bình mặt cắt

- Sự phân bố của lưu tốc biểu thị qua hệ số Coriolis: α

- Mức độ chảy rối của dòng chảy

- Mực nước hạ lưu

- Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu

- Lưu lượng đơn vị

- Hàm lượng bùn cát trong dòng nước

+ Các yếu tố của đất nền:

- Khối lượng riêng của đất nền

- Hình dạng, kích thước hạt

- Đường cong cấp phối hạt

- Các chỉ tiêu cơ lý khác của đất nền

1.2 Đặc điểm cống vùng triều

1.2.1 Đặc điểm cống vùng triều

Cống được xây dựng dưới đê biển hay cửa sông ven biển, chịu sự tác động trực tiếp của chế độ thuỷ triều gọi là cống vùng triều Các cống này thường có nhiệm vụ tiêu nước, lấy nước, ngăn triều…Nhiều cống còn có nhiệm vụ giao thông thuỷ (cho thuyền bè đi lại)

Cống thường bố trí theo sơ đồ cống lộ thiên, nhưng cũng có trường hợp chọn

sơ đồ cống ngầm Với các cống lộ thiên, cửa van đóng mở thường chọn loại van phẳng, van cung, hay van tự động Loại van tự động được áp dụng khá nhiều trong thời gian gần đây, đặc biệt là đồng bằng Nam Bộ Ưu điểm nổi bật của loại này là tự động đóng mở tuỳ theo mức độ chênh lệch cột nước thượng hạ lưu, thích hợp với cống vùng triều, có mực nước phía sông, biển thay đổi thường xuyên

Về kết cấu, van tự động có loại trục ngang, trục đứng 1 cánh, trục đứng 2 cánh Loại trục ngang được áp dụng cho cửa có nhịp không lớn, không có yêu cầu giao thông thuỷ Loại trục đứng có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn Một yêu cầu quan trọng khi bố trí loại van này là khả năng áp sát trụ khi mở để không gây cản dòng, không sinh ra dòng xiên ở hạ lưu

Mực nước thượng hạ lưu thường xuyên thay đổi, làm cho chế độ chảy qua cống không ổn định có thể chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ khác (ví dụ như chuyển từ chảy ngập sang ngập lặng và nước nhảy sóng…)

BÓ tiªu n¨ng Cèng

Hình 1.7: Sơ đồ cống và hố xói

Đối với khu vực kín, thuỷ triều chỉ ảnh hưởng ở một phía cống Còn các lưu vực mở thuỷ triều ảnh hưởng mực nước ở cả hai phía cống làm cho chế độ chảy càng phức tạp mà việc xác định chúng cần phải xét trong một hệ thống liên hoàn các cống, kênh dẫn, vùng chứa

Đối với cống vùng triều thì nguyên nhân gây xói lở hạ lưu cần phải xét từ cả hai thái cực của mực nước

Ứng với mức triều thấp, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn(cống tiêu)năng lượng thừa dòng chảy sẽ gây xói nếu chưa được tiêu hao hết trong phạm

vi công trình

Ứng với mức triều cao, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu nhỏ, không đủ năng lượng để tạo thành nước nhảy tại chỗ hay nước nhảy ngập, mà taọ thành nước nhảy sóng vượt ra khỏi phạm vi công trình và gây xói lở phần lòng dẫn ngay sau đó

Dòng chảy ở hạ lưu cống khuếch tán không đều do các cửa van đóng mở không đồng bộ và không đều Đối với cống có van tự động trục đứng thì khi cửa van mở không hết (cánh cửa không ép sát vào trụ) cũng là nguyên nhân gây lệch

dòng, lưu lượng tập trung vào những luồng nhất định gây xói đáy hoặc hai bờ khi ra khỏi sân sau cống

Tổng bề rộng cống (∑b) thường nhỏ hơn nhiều so với bề rộng kênh hạ lưu nên khi dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng thường có hiện tượng chủ lưu tách khỏi bờ kênh hình thành các xoáy nước có trục đứng ở hai bên bờ Các xoáy này thường có

vị trí lệch nhau ở 2 bờ, gây nên dòng chảy ngoằn nghèo ở hạ lưu cống; trạng thái này thường được duy trì trên một đoạn dài, vượt quá chiều dài sân sau, gây xói đáy

và hai bờ ở đoạn kênh nối tiếp ngay sau sân sau

Hệ quả của các điều kiện đã nêu (mực nước hạ lưu thay đổi thường xuyên, dòng chảy khuêch tán không đều, cống mở rộng đột ngột trên mặt bằng) là làm gia tăng biên độ và phạm vi tác động của mạch động lưu tốc và áp lực trong dòng chảy

ở hạ lưu cống, góp phần gây xói trên một phạm vi dài của kênh hạ lưu nối tiếp với sân sau

Phần lớn các cống ở đồng bằng ven sông, ven biển thường đặt trên nền mềm yếu và phức tạp Kênh hạ lưu đào qua các vùng địa chất yếu rất dễ bị xói, đặc biệt là trong điều kiện mà mạch động lưu tốc và áp lực có biên độ lớn, phạm vi tác động rộng Những điều kiện nêu trên đã làm cho tình hình xói lở ở hạ lưu các cống vùng triều trở nên phổ biến, đe doạ sự làm việc của nhiều công trình Một số cống có hố xói sâu điển hình như cống Cầu Xe (Hải Dương) xói sâu 11,3m; cống Ngô Đồng (Nam Định)xói sâu 9,9m; cống Vàm Đồn (Bến Tre) xói sâu 7,4m…

1.2.2 Các dạng đặc trưng của xói hạ lưu cống vùng triều

1.2.2.1 Hình thành hố xói sau bể tiêu năng

Vị trí xói đầu tiên phát sinh ở tuyến tiếp giáp giữa phần gia cố(sân sau)với phần không gia cố (kênh đất) Khi hố xói phát triển sẽ làm sụp dần lớp gia cố ở sân sau và tiến về phía bể tiêu năng Ở nhiều cống, hố xói khoét sâu xuống dưới đáy bể tiêu năng (như cống Phát Diệm - Ninh Bình), tạo nguy cơ gây sụp, gãy phần bể tiêu năng và đe doạ an toàn của cống

BÓ tiªu n¨ng

Cèng

Hè xãi khoÐt s©u

Hình 1.8: Hình thành hố xói sau bể tiêu năng 1.2.2.2 Xói lở ở vai sau tường cánh

Dạng hư hỏng này cũng rất phổ biến ở các cống vùng triều, đặc biệt là ở các

cống có sự mở rộng đột ngột trên mặt bằng ở hạ lưu Sự xói lở vai bắt đầu hình

thành tại khu vực chuyển tiếp lòng dẫn, phát triển cùng với sự xuất hiện các xoáy

bên Hố xói ở phần chân mái cũng là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến trượt mái, mặt

trượt lấn sâu vào bộ phận gia cố, gây hư hỏng bộ phận tiêu năng sau cống

1.3 Tổng quan chung tình hình thiết kế và kết cấu tiêu năng cống vùng triều

Ở các tỉnh ven biển nước ta đã xây dựng nhiều cống lấy nước, tiêu úng, ngăn

mặn, xô phèn… để phục vụ sản xuất và đời sống Hiện tượng xói lở sau cống xảy ra

phổ biến đôi khi rất trầm trọng

Tên cống Tỉnh

Khẩu diện nước H Cột Chiều sâu

xóiTmax

T H

Chiều dài hố xói L

L H

Ta thấy đặc điểm sự xói lở sau cống là hố xói sâu và kéo dài Cống Cầu Xe,

hố sâu đến 11,3m (kể từ đáy kênh hạ lưu) và hố xói cống Lân dài đến 140m Nếu so với cột nước làm việc thì T/H=0,64÷1,9 và T/H=9÷31

Nhiều cống đã bị xói sập mất hết sân phủ và móc hàm ếch vào dưới bể tiêu năng hoặc dưới tường cánh làm đe dọa đến an toàn công trình Cống Lân xây dựng

1963, sau vài năm làm việc hạ su bị xói lở Năm 1971 đã xử lý hố xói bằng rồng đá Năm 1975 hố xói phát triển sâu 6,8m dài 75m, mất hết sân phủ Đến năm 1990 hố xói phát triển mạnh sâu 8m, rộng 115m, dài 140m và đã bắt đầu khoét vào dưới bể tiêu năng, đòi hỏi phải xử lý triệt để mới sử dụng được lâu dài Cống Vân Đồn tỉnh Bến Tre bắt đầu sử dụng năm 1985, giữa năm 1986 phát hiện ra hai phía cống đều

bị xói, sâu nhất đến 7,4m dài 106m Phần lớn các tấm sân phủ bằng bê tông cốt thép

bị sập trôi Cuối năm 1986 đã xử lý bằng cách đổ xuống hai mái trước của hai hố xói 11.000m3 đá hộc cỡ d=10÷25m Sau đó hầu hết đá hộc đổ xuống đều bị sập trôi Tháng 9 năm 1988 qua khảo sát thấy hố xói phía biển đã móc hàm ếch dưới bể tiêu năng và đặc biệt dưới tường cánh hai bên có hai hố móc sâu vào 4m và sâu 1,2m trơ lộ các cọc bê tông dưới tường cánh hạ du Cống bị xói sâu nhất hiện nay là cống Cầu Xe (Hải Dương) Mặc dù đã xử lý bằng rọ đá và tấm bê tông vài lần những hố xói phía đồng vẫn không ổn định, móc sâu dưới tường sâu và tường cánh

đe dọa đến an toàn công trình

Như vậy, khi cống đã bị xói thì sự phá hủy nền của nó xảy ra mạnh mẽ, không những thế dòng nước có thể làm sập trôi cả đá hộc, cả các tấm bê tông cốt thép gia cố Xu thế chung là hố xói tiến dần vào dưới bể tiêu năng và chân tường cánh, thời gian có thể nhanh hoặc chậm, tùy điều kiện làm việc cụ thể của từng công trình Khi cống đã bị xói lở nghiêm trọng, việc xử lý xói lở rất tốn kém Điều

đó đòi hỏi phải tìm ra những nguyên nhân cơ bản gây ra tình trạng trên để một mặt

có biện pháp xử lý đúng đắn, mặt khác giúp cho việc quản lý cống phòng tránh được xói lở và nhất là giúp cho việc tính toán, thiết kế xây dựng cống mới được an toàn về mặt gia cố hạ lưu

1.4 Những kết quả nghiên cứu về xói ở trong nước và ở ngoài nước

1.4.1 Những kết quả nghiên cứu về xói ngoài nước

Nghiên cứu về xói tức là tìm các biện pháp không cho xói xuất hiện hoặc khắc phục hố xói không dự báo trước hay lựu chọn các kích thước, hình thức thích hợp khi chủ động cho xói xuất hiện Sự xuất hiện xói và hình thức xói là rất phức tạp nên việc nghiên cứu xói luôn phải kết hợp giữa lý luận và thực nghiệm

1.4.1.1 Chiều sâu lớn nhất của hố xói

Để nghiên cứu xói tại một thời nào đó thì công thức chung nhất để xác định

độ sâu của xói có thể viết như sau:

Zmax = f(q, H, hh, Sd, ρs, ρw, V, d50, d90, α, k) (1-6) Trong đó:

q: Lưu lượng đơn vị

H: Chênh lệch mực nước thượng hạ lưu

hh: Chiều sâu mực nước hạ lưu

Sd: Chiều cao của ngưỡng so với đáy hạ lưu

ρs: Khối lượng riêng của vật liệu nền

ρw: Khối lượng riêng của nước

V: Lưu tốc trung bình mặt cắt

d50: Đường kính trung bình của vật liệu nền

d90: Đường kính mà trọng lượng của các hạt không lớn hơn nó chiếm 90%

Bằng việc sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên xây dựng các quan hệ giữa các đại lượng để thiết lập các thí nghiệm Từ đó xây dựng các công thức thực nghiệm để tính toán chiều sâu hố xói:

a Đối với công trình không có bể tiêu năng

d

d = 0 , 2 0 , 57 −

42 , 0 90

75,4

68,3

(1-8)

Theo Jaeger: h h

d

h q Z

90

25 , 0 5 , 0

4 2

2 , 6

(1-10)

d

q Z

90

6 , 0 5 , 0

88,

Các công thức trên thu được dựa trên kết quả thí nghiệm với dòng chảy dưới cửa van phẳng và ngưỡng không phải là tròn [Chiều sâu lớn nhất của xói nước thấp]

Đối với cống xả tràn kết hợp xả đáy Arun Goel đã thí nghiệm với quan điểm

hố xói là hình tam giác với dung tích hố xói Vs = 0,5x2d1 Ông đã lập quan hệ giữa chiều sâu hố xói, mực nước hạ lưu, tổng lưu lượng qua cống (hình 1-17) [Scour Investigations Behind a Vertical Sluice Gate without Apron]

Hình 1.9: Sơ đồ tính toán đập xả mặt kết

hợp xả đáy

Hình 1.10: Đường quan hệ giữa chiều sâu hố xói và mực nước hạ lưu đập xả mặt kết hợp xả đáy

Cũng xuất phát từ công thức chung (1-21) các tác giả Masoud Ghodsian, Ardeshir Azar Faradonbeh và Ali Akbar Abbasi thiết lập công thức tính toán chiều sâu hố xói cho đập có cột nước tràn tự do []:

( )0 , 122 50 0,127 0,581

5,

r t

s

Y

H Y

d F

Y L

( )0 , 524 50 3,66 0,255

75,

r

H Y

d F

Theo Noel E Bormann đối với xói hạ lưu công trình mái dốc hình 1-12:

s d

s

d

U Y C g B

γγαφ

φγ

sinsin

sin 0,8 2 00,6 01,6

(1-14)

Trong đó:

Dp: Chiều cao ngưỡng

γs: Khối lượng riêng của vật liệu nền

γ: Khối lượng riêng của nước

Cd = 2,0 -:- 2,4

Yo: Chiều sâu dòng nước trên ngưỡng

Uo: Lưu tốc dòng chảy trên ngưỡng

ds: Đường kính trung bình của vật liệu nền

β: Góc giữa đỉnh ngưỡng với điểm sâu nhất của hố xói và chiều cao nước rơi

α: Góc nghiêng của mái hố xói hạ lưu

φ: Góc ma sát trong cảu vật liệu nền

β α

Hình 1.13: Hố xói sau công trình có mái dốc Theo Vưzgô thí chiều sâu hố xói ổn định gần đúng coi bằng chiều sâu bể tiêu năng:

h h

d

h q Z K

h k

d

d Z q g K

90

25 , 0 5 , 0 4 2

2

2,6

90

6 , 0 5 , 0

10 Ứng với một lưu lượng không đổi, khi tăng mực nước hạ lưu thì dx giảm Khoảng cách từ cuối bể tiêu năng đến vị trí xói sâu nhất là nhỏ nhất khi hh/p = 0,5 (với p là chiều cao ngưỡng tràn so với đáy bể tiêu năng);

20Bằng việc tăng độ dốc của mái thượng lưu ngưỡng cuối bể, với bất kỳ một lưu lượng nào đều cho thấy xói tăng lên và càng đẩy xói ra xa ngưỡng;

30 Việc tăng chiều sâu đào bể quá giới hạn cần thiết không làm giảm xói Khi tăng chiều sâu đào bể tiêu năng thì xói giảm và vị trí sâu nhất của hố xói càng gần ngưỡng;

40 Nếu tăng chiều cao ngưỡng của bể thì xói giảm (khi ứng với một mực nước hạ lưu đã có) nhưng độ sâu trên ngưỡng phải đảm bảo luôn luôn lớn hơn độ sâu phân giới trên ngưỡng

1.4.1.2 Chiều dài của hố xói

Cũng như việc tính toán chiều sâu lớn nhất của hố xói, khi tính toán chiều dài hố xói các nhà nghiên cứu cũng giới thiệu phương pháp xác định chiều dài hố xói dựa trên kết quả thực nghiệm Các kết quả này có thể chia làm hai nhóm:

a Nhóm thứ nhất: Tính toán hố xói dựa trên chiều sâu hố xói

Theo Yurixki, chiều dài hố xói trên nền đá:

Theo Damazin, chiều dài hố xói trên nền đất:

Trong đó:

dx: Chiều sâu lớn nhất hố xói;

hpg: Chiều sâu phân giới của dòng chảy b: Chiều rộng đáy hố xói; b =

kx V q

q: Lưu lượng đơn vị;

Vkx: Lưu tốc cho phép không xói

Theo Arun Goel, ông coi hình dạng hố xói là hình tam giác và ông thiết lập mối qua hệ giữa dung tích hố xói (Vs), lưu lượng dòng chảy (Q) và mực nước hạ lưu (Y):

Hình 1.14: Đường quan hệ Arun Goel dung tích hố xói và chiều

sâu mực nước hạ lưu

Các tác giả Masoud Ghodsian và nnk cũng dựa trên thực nghiệm dựa vào các yếu tố của dòng chảy và nền thiết lập các công thức 1-00; 1-00 để xác định được các thông số của hố xói của tràn có dòng chảy tràn tự do qua đỉnh tràn, trong đó có chiều dài hố xói

b Nhóm thứ hai: Tính toán hố xói theo các yếu tố của dòng chảy và của công trình

Lêvi cho rằng chiều dài hố xói là hiệu số giữa chiều dài diễn ra tiêu hao năng lượng thừa (L0) và chiều dài gia cố tính từ chân hạ lưu tràn (Lv): L = L0 - Lv Bằng thực nghiệm ông đưa ra công thức thực nghiệm:

6 0

22

rc

d F

nhiều bước tính chung gian nên có nhiều sai số Với phương pháp tính toán của

Lêvi là tính toán không thông qua chiều sâu lớn nhất của hố xói, mà tính đến ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố gây xói sẽ chính xác hơn Tuy nhiên với công thức (1-22) thì không thể áp dụng cho mọi loại nền

1.4.1.3 Vị trí sâu nhất của hố xói

Xác định vị trí sâu nhất của hố xói khá phức tạp và có nhiều quan điểm Theo Lêvi vị trí sâu nhất hố xói ở ngày sau sân gia cố cứng tức là Lzmax = 0 Theo Iurixki: Lzmax = 3Zmax

Và L = 4,5Zmax + bd

Theo Damarin: Lzmax = 3Zmax

Và L = 4Zmax + bd với bd là bể rộng đáy hố xói

Theo Noel E Bormann đối với xói hạ lưu công trình dạng mái dốc thì công thức tính chiều dài hố xói như sau:

s

x x x

d x

s s

d

U Y C B

L

+

−

+ +

− +

sin

sin

αφγγ

φρ

Các thông số được chú thích như công thức trên

Ngoài ra còn một số tác giả cũng dựa trên thực nghiệm dựa vào các yếu tố của dòng chảy và nền xây dựng công thức để xác định các thông số cơ bản của hố xói bao gồm cả vị trí sâu nhất của hố xói

1.4.2 Những kết quả nghiên cứu về xói trong nước

Cũng như các nghiên cứu về xói ở ngoài nước, các nhà nghiên cứu trong nước khi nghiên cứu về xói cũng luôn kết hợp giữa thực nghiệm và lý luận

Xuất phát từ đặc điểm của các công trình thủy lợi ở nước ta, các nghiên cứu

về xói tập trung vào các vấn đề như: Xói ổn định sau đập tràn ngưỡng thấp; xói nền

đá dưới tác dụng của dòng phun; nghiên cứu thực nghiệm xác định hình dạng của

hố xói sau tràn của các công trình thủy lợi, thủy điện

1.4.2.1 Nghiên cứu về xói ổn định sau đập tràn ngưỡng thấp, GS.TS Phạm Ngọc Quý đã đưa ra các kết luận như sau:

a Về xác định chiều sâu hố xói ổn định: từ những nghiên cứu thí nghiệm làm cơ sở lập các công thức thực nghiệm và được giải theo phương pháp bình phương pháp nhỏ nhất đã đưa ra các công thức tính chiều sâu hố xói ổn định như sau:

+ Khi không chú ý đến dạng nước nhảy:

d v

d

s

Y L

d

H Y g

, 0

max

2 9939

, 3

d

s

Y L

d

H Y g

, 0

max

2664

,2

d s s

Y L

Y d

H g

, 0

max

2 0982

, 7

03935 , 0 5061

, 1 5841

, 3

max

2 5348

, 17

d v s

H g

465 , 1 4494

, 1 6268

, 3

max

2 222

, 23

v d

H g

mô hình Chiều sâu hố xói lớn nhất tính theo công thức (1-27 đến 1-28) là gần với những giá trị theo Jaeger và Veronese Vì vậy có thể sử dụng các công thức (1-27 đến 1-28) để tính toán thiết kế, xây dựng và sửa chữa cống lộ thiên hoặc tràn cột nước thấp ở Việt Nam

b Vị trí sâu nhất của hố xói ổn định: L, Lzmax, Zmaxcó quan hệ tuyến tính đi qua gốc tọa độ có dạng Lzmax = βZmax và Lzmax = βL Với β được xác định trên kết quả thí nghiệm bằng cách sử dụng phương pháp tổng bình phương nhỏ nhất, được như sau:

+ Lzmax = 3,6Zmax (1-29) Với:

rc

v d

L d

F

L Y

14 , 0 90 5

08 , 0 06 , 1

05 , 2 83

, 1

58

v rc

ρ

Hai công thức 1-31, 1-32 dùng để tính chiều dài hố xói ổn định sau đập tràn

có chiều cao tương đối của ngưỡng là thấp, phạm vi sử dụng là:

6,266,

=

d

v Y

L

; =0,2÷3,5

d Y

h

; =0,1÷0,015

d Y

lở gần với thực tế

+ Mô hình được mô phỏng tương đối đầy đủ các tham số để thể hiện mặt phức tạp không liên tục của nguyên hình, về tính biến dạng lực học của khối nham thạch, dựa vào nguyên tắc này sẽ có được hệ số vượt tải ổn định của nền đá

+ Mô phỏng điều kiện địa chất của mô hình là phải rõ ràng, qua bước giản hóa không thể cho rằng mô phỏng càng phức tạp thì càng có thể giải quyết vấn đề

mà phải qua thí nghiệm và phân tích nghiên cứu để giải quyết được mục đích chính của vấn đề, mà không phân biệt chính thứ đối với hiện tượng tự nhiên để tái tạo thì

có khi cho kết quả thí nghiệm ngược lại

b Cấu tạo địa chất các lớp nham thạch của các công trình ở các vùng cũng khác nhau nhưng có thể quy thành 4 loại:

+ Loại nền đá khó xói: Có cấu tạo dạng khối lớn, khe nứt không phát triển,

đá rắn chắc, như đá hoa cương, đá granit (đá loại I);

+ Loại nền đá hơi khó xói: Có cấu tạo dạng tảng to, khe nứt phát triển, nhiều chỗ còn rắn chắc, ít chỗ khe nứt có chất nhét, như đá vôi, poocfiarit điabaze (đá loại II);

+ Loại nền đá rễ xói: Có cấu tạo dạng tảng vỡ, khe nứt phát triển và rõ ràng, một phần có chất nhét, như sa thạch, đá vôi bị phong hóa (đá loại III);

+ Loại nền đá rất rễ xói: Có cấu tạo dạng phiến hoặc tảng vỡ, khe nứt phát triển mạnh, khe nứt lớn từ 1-:-2 cm, có đất cát nhét, như đá gan gà, sa thạch, phấn hồng (đá loại IV)

c Trong thực tế khi giải quyết mô phỏng tương tự đối với các loại nền đá loại IV có thể dùng vật liệu rời có kích thước tương đương với nguyên dạng của đá cộng thêm 30-:-35% cát để giảm bớt hệ số khe rỗng là sẽ cho kết quả thí nghiệm gần sát với thực tế Để tăng độ tin cậy nên dùng hai loại kích thước hạt có giới hạn trên và giới hạn dưới để thí nghiệm so sánh kết quả

d Đối với loại nền đá thứ II nên dùng tổ hợp vật liệu có chất dính kết để tái tạo, song nên mô phỏng theo lớp, phân tầng của nền địa chất nguyên dạng bằng phương pháp cắt phân lớp và dùng bột sét hay thạch cao

e Đối với nền đá loại thứ I nên đúc viên đảm bảo dung trọng và theo kích thước mô phỏng các tảng nguyên dạng, đúng dung dịch của chất dính kết và xếp theo phương pháp của cấu tạo nham thạch

CHƯƠNG 2: HIỆN TRẠNG XÓI SAU CÁC CỐNG TỈNH NGHỆ AN

2 1 Điều kiện tự nhiên dân sinh kinh tế tỉnh Nghệ An

2.1.1 Điều kiện tự nhiên

Do địa hình có nhiều đồi núi (phía tây của Tỉnh là vùng đồi núi trùng điệp) nơi

có mật độ sông suối tương đối dày (0,6-0,7 km/km2), sông Cả là sông lớn nhất của tỉnh: có diện tích lưu vực 27.380 km2, dài 400km (thuộc lãnh thổ Việt Nam) và nhiều con sông nhỏ

Nằm ở trung tâm vùng Bắc Trung bộ của Việt Nam, trên tuyến giao lưu Bắc

Nam và Đông Tây, tỉnh Nghệ An có đầy đủ các điều kiện tự nhiên giống như một đất nước Việt Nam thu nhỏ, đó là cấu trúc địa hình tự nhiên phong phú và đa dạng,

có đầy đủ các vùng địa hình: Miền núi, Trung du, đồng bằng và miền ven biển Hội

đủ các tuyến giao thông đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường biển và đường thuỷ nội địa; là cầu nối giữa hai miền Bắc - Nam và là một tuyến quan trọng của hành lang kinh tế Đông - Tây nối Thái Lan, Lào, Mianma với Cảng Cửa Lò, Nghệ An Tỉnh Nghệ An có 20 đơn vị hành chính, trong đó có 17 huyện, 2 thị xã và Thành phố Vinh - đô thị loại 1 là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa của tỉnh Nghệ

An và là trung tâm kinh tế văn hóa của cả vùng Bắc Trung bộ

2.1.1.2 Thời tiết khí hậu

- Tình hình mưa: Lượng mưa năm trung bình từ 1.800-2.200mm Tập trung vào các tháng mựa lũ (từ tháng 8 đến tháng 10) chiếm 50-70% lượng mưa cả năm gây ra lũ chính vụ và từ tháng 4 đến tháng 5 thường xẩy ra lũ tiểu mạn

Lượng mưa ngày lớn nhất đó xuất hiện 778mm ở Đô Lương ngày 27/9/1978; ở Phúc tăng (Yên Thành) 571,6mm (ngày 26/9/1978); Quán Hài (Yên Thành) 529,6mm (ngày 27/9/1978)

Lượng mưa đợt (3-7 ngày) đó xuất hiện 1.639mm ở Đô Lương (ngày 29/9/1978), ở Phúc tăng (Yên Thành) 1.664 mm (đợt mưa từ ngày 16/9-23/9 và từ 26/9-29/9/1978); ở Quỳ Hợp 1.540 mm (từ ngày 26-29/9/2009); ở Vinh 1.300 mm (ngày 02/01/1974)

25/9 Tình hình nhiệt độ: số giờ nắng bình quân của tỉnh là 1.600 giờ/năm; nhiệt độ cao nhất là Tương Dương 42,70C (ngày 12/5/1966); thấp nhất là ở Quỳ Hợp -0,30

C (ngày 02/01/974)

- Tình hình bốc hơi: Bốc hơi bình quân các trạm đo trong tỉnh là 991,3mm/năm

Kinh tế: Tổng thu toàn tỉnh là 78.594 tỷ đồng, trong đó thu từ kinh tế nông nghiệp

là 18.234 tỷ đồng, chiếm 23% tổng thu toàn tỉnh Trong nông nghiệp thì trồng trọt

và chăn nuôi là 2 ngành trọng điểm, tạo việc làm và thu nhập chính, ổn định cuộc sống cho phần lớn dân cư của Tỉnh

Nghệ An có diện tích tự nhiên lớn nhất cả nước với 16.499,03km2 Trong đó, đất nông nghiệp là một thế mạnh của tỉnh, ngành Nông nghiệp Nghệ An đang hướng tới một nền sản xuất hàng hoá, với các sản phẩm chủ lực như lạc, vừng, chè, cà phê, cao su, cam, dứa, mía… là những loại nông sản có giá trị cao, được xuất khẩu sang nhiều nước trên thế giới Trong định hướng phát triển của tỉnh Nghệ An sẽ tăng

diện tích các loại cây công nghiệp và cây nguyên liệu Trên lĩnh vực chăn nuôi, Nghệ An có tổng đàn gia súc lớn với hàng trăm nghìn con bò, hàng triệu con gia cầm, đây là những điều kiện thuận lợi để ngành công nghiệp chế biến nông sản của Nghệ An phát triển

Rừng và đất rừng là một thế mạnh của tỉnh Nghệ An Với diện tích khoảng 745.000hađất lâm nghiệp, trữ lượng gỗ khá lớn Rừng Nghệ An có nhiều loại gỗ quí hiếm Một diện tích khá lớn đất đồi rừng được trồng các loại cây như: tre, nứa mét, cây nguyên liệu giấy Nằm ở phía Tây và Tây Bắc của Nghệ An có 3 khu bảo tồn thiên nhiên là Pù Mát, Pù Huống và Pù Hoạt đã được UNESCO công nhận là Khu

dự trữ sinh quyển Tây Nghệ An của Việt Nam Với hệ sinh thái động thực vật phong phú, đa dạng, có những loài động vật quí hiếm Nơi đây còn lưu giữ được nhiều danh lam thắng cảnh nổi tiếng như: Thẩm ồm, thẩm Bua, thác Khe Kèm, Sao va với vẻ đẹp nguyên sơ làm hài lòng du khách

Nghệ An có 82km bờ biển, diện tích khai thác đánh bắt thuỷ hải sản lớn Mỗi năm ngành thuỷ sản Nghệ An đánh bắt, nuôi trồng được trên 100.000 tấn hải sản, trong đó có nhiều loại hải sản có giá trị cao như: Tôm, cua, cá thu, cá ngừ là điều kiện thuận lợi để đầu tư các dự án nuôi trồng đánh bắt chế biến thuỷ sản Nghệ An

có nhiều khu du lịch biển đẹp như: Cửa lò, Bãi Lữ, Diễn Thành, Quỳnh Phương…Tại đây, đã có hệ thống hạ tầng dịch vụ khá hoàn hảo với những khách sạn đạt tiêu chuẩn 4 đến 5 Sao, những khu Resot nghỉ dưỡng cao cấp Mỗi năm, Nghệ An đón trên 3 triệu lượt khách du lịch trong và ngoài nước Năm 2010, dự án xây dựng tổ hợp khách sạn sân gôn, biệt thự cao cấp Cửa Lò chính thức đi vào hoạt động - là điểm hẹn lý tưởng để du khách và các doanh nhân trong và ngoài nước đến với Nghệ An nghỉ dưỡng, tìm kiếm cơ hội hợp tác đầu tư

2.1.3 Tình hình thiên tai

2.1.3.1 Bão:

Nghệ An nằm trong vùng eo biển phía nam Vịnh Bắc Bộ, đây là vùng bão đi vào nhiều hơn Theo số lượng thống kê của đài thủy văn Bắc Trung Bộ từ năm 1967 đến năm 1989 có 34 cơn bão vào vùng Nghệ Tĩnh thì có 8 cơn bão cấp 12 và 11 cơn bão

cấp 11 Như vậy, tính chung bão vào Nghệ An có sức gió cấp 11 đến cấp 12 và trên cấp 12 chiếm 56% số cơn bão đổ bộ vào tỉnh

Về nước dâng vùng ven biển: Nghệ An có 82Km bờ biển với 7 cửa sông chính đổ ra biển Khi bão vào vùng biển Nghệ An với cấp gió lớn gặp triều cường thì sinh ra nước dâng, nước mặn tràn qua hệ thống đê biển, cửa sông xâm nhập vào nội địa gây thiệt hại lớn về mùa màng, cơ sở vật chất, dân sinh kinh tế

2.1.3.2 Lũ lụt:

Những hình thái thời tiết chính gây mưa lũ ở Nghệ An là bão, áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh và sự phối hợp hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới hay của áp cao Thái Bình Dương, mưa lũ thường có những đợt mưa liên tiếp hoặc kéo dài gây ra ngập úng lớn

Nhận xét:

Bão và lũ lụt có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc và an toàn của cống

+ Khi mưa lớn dòng chảy thươngj lưu lớn, mực nước thượng lưu dâng cao, lưu tốc và lưu lượng nước chảy xuống hạ lưu lớn có thể vượt quá tần suất tính toán làm xói lở hạ lưu công trình, do đó lưu tốc dòng chảy lớn cộng với mưa ở hai bờ dòng chảy sẽ bào mòn đất ở hai bên sông

+ Mưa lớn kéo dài tạo nên lưu lượng lũ cao có khi vượt mấy lần lưu lượng thiết kế làm cho công trình hư hỏng nặng

+ Khi mực nước thượng lưu tăng làm tăng áp lực thấm dưới đáy công trình, dòng thấm có thể cuốn trôi vật liệu hạt làm cho xói lở sân sau công trình

+ Trường hợp gặp lũ bất thường, dòng chảy đặc biệt lớn do tính toán lũ thiết

kế không chính xác, nên lưu lượng lũ vượt quá khả năng điều tiết của công trình tràn qua đập và làm lưu tốc ở hạ lưu công trình vượt quá lưu tốc chống xói cho phép

2.2 Hiện trạng xói và phân loại xói sau các cống vùng triều tỉnh Nghệ An 2.2.1 Hiện trạng của các cống vùng triều tỉnh Nghệ An

Toàn tỉnh Nghệ An có khoảng 271 cống lớn với những chức năng nhiệm vụ khác nhau Trong đó có khoảng 124 cống lấy nước, 62 cống điều tiết và 85 cống tiêu nước Trong hệ thống cống tiêu có 6 cống chịu ảnh hưởng triều, 2 cống đã hư hỏng nặng, còn 4 cống đã sửa chữa và vẫn còn sử dụng được

1

Cống đang sử dụng tốt 66,7%

Cống hư hỏng nặng 33,3%

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn các loại cống

trong công trình thuỷ lợi Nghệ An

Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn phân loại cống vùng triều theo hiện trạng sử dụng Các cống vùng triều xây dựng từ năm 2002 trở về trước có những cống được xây dựng từ những năm 30 của thế kỷ trước Mỗi cống có từ 1 đến 10 cửa, cao trình đáy cống từ khoảng (-2) đến (-3) Qua nhiều năm làm việc hầu hết các cống đều bị xói lở hạ lưu Hố xói sâu từ 1 ÷ 4m; rộng 5÷50m; dài từ 7÷70m

Qua nhiều năm làm việc hố xói hạ lưu của một số cống tương đối ổn định, song ở một số cống hố xói ngày càng phát triển và tiến sâu vào phía thân cống đe dọa đến sự an toàn của cống và an toàn đê điều

TT Tên cống Năm Khẩu diện Hình thức

cống

K thước

hố xói

số lần s.chữa

2.2.2 Phân loại hình thức xói sau các cống vùng triều

2.2.2.1 Phân loại theo hình thức xói

Theo thống kê toàn tỉnh có khoảng 6 cống vùng triều bị xói phía hạ lưu công trình với nhiều hình thức khác nhau Trong đó có nhiều cống đã được sữa chữa nâng cấp nhiều lần nhưng vẫn bị hư hỏng.Các hình thức xói lở hạ lưu có thể được phân loại như sau:

- Xói ổn định và xói không ổn định

- Xói với nền đất và xói với nền đá

- Xói có bãi bồi và xói không có bãi bồi

- Xói không bồi hoàn và xói có bồi hoàn trở lại

- Xói có dự báo trước và xói không có dự báo trước

Việc nghiên cứu về xói để có biện pháp không cho xói xuất hiện hoặc khắc phục hố xói không có dự báo trước Lựa chọn các kích thước, hình thức thích hợp khi chủ động cho xói xuất hiện

STT Hình thức xói Số

lượng

Tỷ lệ % trên tổng số cống bị xói

5

Bảng 2.2: Phân loại theo hình thức xói

2.2.2.2 Phân loại theo chức năng, nhệm vụ,cấp công trình

2.2.2.3 Phân loại theo vị trí đặt cống,hình thức tiêu năng, hình thức cửa van

STT Phân loại Số lượng Tỷ lệ % trên tổng

Bảng 2.4: Phân loại theo hình thức, tiêu năng, cửa van

2.3 Đánh giá xói sau cống vùng triều

2.3.1 Đánh giá thực tế một số cống bị xói lở bất lợi

Trên thực tế có không ít cống vừa và lớn bị xói lở hạ lưu công trình gây mất ổn định công trình, ảnh hưởng sản xuất nông nghiệp, phát triển kinh tế xã hội, chi phí sữa chữa hàng tỷ đồng cho mỗi công trình Dưới đây xin trình bày quá trình xói lở của môt số cống quan trọng tỉnh Nghệ An

Cống Diễn Thuỷ

Được đưa vào và vận hành phục vụ sản xuất vào năm 1980, làm nhiệm

vụ tiêu cho 20 Km2 đất nông nghiệp của huyện Diễn Châu tỉnh Nghệ An Đây là cơ

sỏ hạ tầng quan trọng làm thay đổi bộ mặt kinh tế xã hội và đời sống nhân dân lao động trong khu vực

Cống Diễn Thuỷ có 3 cửa, mỗi cửa rộng 8m, cao trình đáy cống -2,0m, cao trình đỉnh cống +3,5m Kết cấu cống là cống hộp làm bằng BTCT

Hình thức tiêu năng của cống là bể tiêu năng với các chỉ tiêu chính như sau: Đoạn sân thứ 1 được gia cố bằng BTCT dày 0,6m dài 12m Cao trình đáy bệ -3,5m và có bố trí 2 hàng mố tiêu năng Đoạn sân 2 gia cố bằng bê tông cốt thép và

đá ghép lát khan ở cao trình dài 25m Hố xói tiêu năng ở hạ lưu dài 10m Phía thượng lưu sân trước bảo vệ dài 30m bao gồm Từ năm 1980 cống vận hành tương đối tốt đảm bảo được nhiệm vụ thiết kế, kết cấu công trình không có hư hỏng lớn