Giáo trình Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ

1. tr−ờng đại học thủy lợi Bộ môn: thủy công X W thiết kế đê vμ công trình bảo vệ bờ Hà Nội, năm 2001
2.  tr−ờng đại học thủy lợi Bộ môn: thủy công X W thiết kế đê vμ công trình bảo vệ bờ Biên soạn: PGS. TSKH. Nguyễn Quyền PGS. TS. Nguyễn Văn Mạo TS. Nguyễn Chiến KS. Phạm Văn Quốc Hà Nội năm 2001 
3.  Lời nói đầu oOo "Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ" trình bày những kiến thức cơ bản về bố trí, lựa chọn hình thức kết cấu và tính toán thiết kế đê sông, đê biển, kè bảo vệ mái và các công trình bảo vệ bờ. Sách cũng đề cập tới những vấn đề về gia cố, sửa chữa và xử lý sự cố đê. ở Việt Nam, hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc phòng chống và giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ an toàn cho các trung tâm văn hoá, chính trị, kinh tế, các vùng dân c− rộng lớn trải dài theo các triền sông, duyên hải từ Bắc chí Nam. Hệ thống đê sông ở đồng bằng Bắc bộ đã đ−ợc hình thành và phát triển từ hàng nghìn năm nay. Nhân dân ta đã tích luỹ đ−ợc nhiều kinh nghiệm trong việc đắp và gìn giữ đê. Lịch sử cũng đã ghi nhận những vụ vỡ đê với sức tàn phá ghê gớm, để lại hậu quả lâu dài. Hiên nay, trong điều kiện đất n−ớc đang công nghiệp hoá, hiện đại hoá, những yêu cầu về việc bảo vệ các khu vực dân c− và kinh tế chống sự tàn phá của bão, lũ, n−ớc dâng ngày càng trở nên cấp bách. Bên cạnh việc củng cố, nâng cấp các hệ thống đê đã có, việc quy hoạch bảo vệ bờ sông, bờ biển và xây dựng các hệ thống đê mới đang đ−ợc đặt ra ở cả 3 miền của đất n−ớc. 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 ch−ơng. Ch−ơng I trình bày tổng quan về hệ thống đê và các công trình bảo vệ bờ. Ch−ơng II nêu những vấn đề về tính toán các yếu tố của sóng và n−ớc dâng. Các vấn đề về thiết kế và tính toán đê đ−ợc trình bày ở ch−ơng III. Trong ch−ơng IV nêu các giải pháp kết cấu và tính toán kè bảo vệ mái. Ch−ơng V giới thiệu các kiến thức về công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển. Ch−ơng 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, Tr−ờng đại học Thủy lợi biên soạn. PGS. TSKH Nguyễn Quyền viết các ch−ơng I và III; PGS. TS Nguyễn Văn Mạo viết ch−ơng IV; TS. Nguyễn Chiến viết các ch−ơng II, V, tiết 1-4 và chịu trách nhiệm chung; KS Phạm Văn Quốc viết ch−ơng VI. 3
4.  Các tác giả xin đ−ợc 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 Tr−ờng 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 tr−ờng, phòng Đào tạo và Th− viện Tr−ờng 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 đ−ợc ý kiến xây dựng của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp. ý kiến xin gửi về Bộ môn Thủy công, Tr−ờng đại học Thủy lợi. Xin chân thành cảm ơn! Các tác giả. 4
5.  Ch−ơng i Kiến thức chung về đê vμ 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 đ−ợc xây dựng để sử dụng nguồn n−ớc 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, n−ớc ngầm để sử dụng n−ớc một cách hợp lý, có lợi nhất và bảo vệ môi tr−ờng xung quanh tránh khỏi những tác hại của dòng n−ớc gây nên. Công trình thủy lợi có thể hình thành dòng chảy nhân tạo để thỏa mãn nhu cầu dùng n−ớc, 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 n−ớc, công trình điều chỉnh dòng chảy và công trình dẫn n−ớc. II- Phân loại các công trình thủy lợi: 1. Các công trình dâng n−ớc: Phổ biến nhất của loại công trình dâng n−ớc là các loại đập. Đập đ−ợc xây dựng ngăn các sông suối và hình thành nên độ chênh mực n−ớc th−ợng hạ l−u. ở tr−ớc đập. Càng gần đến đập, l−u tốc trung bình của dòng chảy giảm v1 h2 > h3 > h4 > h5. Sự tăng mực n−ớc ở trong sông làm tăng diện tích mặt cắt −ớt của lòng sông và dẫn đến ngập đất ở th−ợng l−u. Sự thay đổi l−u tốc dòng chảy ở th−ợng l−u làm thay đổi khả năng vận chuyển bùn cát của lòng sông. L−u tốc theo chiều dòng chảy giảm dần, các hạt bùn cát trong n−ớc đ−ợc lắng xuống đáy theo thứ tự những hạt lớn, sau đó đến những hạt bé hơn và khi đến gần công trình, l−u tốc hầu nh− bằng không nên các hạt cát rất bé cũng đ−ợc lắng xuống, n−ớc ở đó rất trong. Sự dâng mực n−ớc còn làm thay đổi cả trạng thái n−ớc ngầm d−ới lòng sông và hai bên bờ. Do có độ chênh cột n−ớc th−ợng hạ l−u nên có hiện t−ợng thấm qua nền và thấm vòng quanh công trình từ th−ợng l−u về hạ l−u. N−ớc ở th−ợng l−u chảy về hạ l−u không mang bùn cát do đó để trở về trạng thái cũ của dòng n−ớc , lòng sông và bờ lại bị bào mòn, xói lở. Nh− vậy công trình dâng n−ớc có ảnh h−ởng đến tất cả các yếu tố của dòng chảy, lòng sông và cả n−ớc ngầm. Nh−ng nó có hiệu quả lớn, điều chỉnh l−u l−ợng từ th−ợng l−u về hạ l−u, về mùa lũ n−ớc đ−ợc giữ lại ở th−ợng l−u (đối với hồ chứa) và đ−ợc tháo về hạ l−u vào thời kỳ cần thiết theo nhu cầu dùng n−ớc. Công trình dâng n−ớc đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực kinh tế n−ớc. 5
6.  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 h−ớng 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 n−ớc. Công trình điều chỉnh bao gồm đê, đập, t−ờng, kè, các đê đập đó không ngăn hết toàn bộ lòng sông, mà chỉ một phần theo h−ớng của mặt cắt ngang hoặc có khi theo h−ớng dọc lòng sông. Công trình điều chỉnh không làm dâng n−ớc, mà có tác dụng làm thay đổi h−ớng và l−u tốc của dòng chảy, phân bố lại l−u tốc và ảnh h−ởng đến hình dạng của lòng sông. Các công trình này nhằm phục vụ các ngành khác nhau, có thể giữ độ sâu, l−u tốc và hình dạng lòng sông cần thiết cho tàu bè qua lại, đảm bảo điều kiện bình th−ờng để lấy n−ớc từ sông, giữ ổn định bờ sông để đảm bảo an toàn cho dân c− và nhà máy xí nghiệp ở hai bên bờ. Các công trình này bao gồm các t−ờng 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 th−ờng dùng đá, tấm bê tông, các loại rồng và bó cành cây. 3. Các công trình dẫn n−ớc: Những công trình này bao gồm các loại nh− kênh m−ơng, đ−ờng hầm, cầu máng, đ−ờng ống làm bằng các loại vật liệu khác nhau. Các công trình đó chuyển n−ớc với các l−u l−ợng xác định vào các mục đích khác nhau: dẫn n−ớc vào tuốc bin nhà máy thủy điện, đ−a n−ớc vào t−ới ruộng và đồng cỏ, vào hệ thống cấp n−ớc cho thành phố, xí nghiệp, nhà máy Nó có thể sử dụng làm đ−ờng giao thông thủy cho tàu thuyền đi lại. Thuộc loại công trình dẫn n−ớc này phải kể đến cả công trình tháo lũ đó là những công trình tháo n−ớc thừa của hồ chứa từ tl về hạ l−u qua dập hoặc hai bên bờ của đập. a) Kênh: Là một dạng sông nhân tạo, đ−ợc đào, đắp hoặc nửa đào nửa đắp mà thành. Mặt cắt ngang có dạng hình thanh. b) Máng n−ớc, dốc n−ớc, cầu máng: Là kênh nhân tạo đ−ợc xây trên mặt đất hoặc cao hơn mặt đất, làm bằng bê tông cốt thép, thép, gỗ. Các công trình này đ−ợc sử dụng khi điều kiện địa hình, địa chất không cho phép làm kênh. c) Đ−ờng hầm: Đ−ợc xây dựng d−ới đất, trong núi. Khi các đ−ờng dẫn n−ớc gặp phải núi cao không thể đào kênh đ−ợc ng−ời ta phải làm đ−ờng hầm để nối tiếp các kênh chuyển n−ớc. Cũng có thể là đ−ờng hầm dẫn n−ớc vào nhà máy thủy điện, hoặc đ−ờng hầm tháo lũ của hồ chứa, 6
7.  d) Đ−ờng ống: Là những ống dẫn n−ớc làm bằng thép, bê tông cốt thép đ−ợc đặt trên hoặc d−ới đất hoặc bố trí trong thân đập, d−ới kênh, m−ơng, đê, để dẫn n−ớc. Ngoài ra còn phải kể đến những công trình đ−ợc dùng cho một mục đích kinh tế thủy lợi nhất định nh−: - 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 t−ới tiêu, hệ thống thóat n−ớc. - Công trình cấp n−ớc và thóat n−ớc: công trình lấy n−ớc, dẫn n−ớc, trạm bơm, công trình cho vệ sinh, thóat n−ớc - Công trình cho cá: đ−ờng cá đi, đ−ờng chuyển cá, hồ nuôi cá Nh− 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 đ−ợc quy định bởi lịch sử hình thành, điều kiện chịu lực và phạm vi ảnh h−ởng của chúng mà sau đây chúng ta sẽ dần làm sáng tỏ. ♣1-2. Tổng quan về hệ thống đê điều I- Tình hình lũ lụt và giải pháp phòng chống: 1. Đặc điểm tự nhiên Việt Nam và đồng bằng Bắc bộ: N−ớc Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam á, chịu ảnh h−ỏng 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 h−ớng Tây Bắc - Đông Nam là sông Hồng và sông Cửu Long, lại vừa chịu ảnh h−ởng trực tiếp khí hậu biển Đông từ phía đông và phía nam, nơi giao giữa hai biển lớn: Thái bình d−ơng và ấn độ d−ơng, đồng thời nằm giữa ổ bão biển Đông là một trong 5 ổ bão lớn nhất thế giới - Mùa bão trùng với muà m−a, địa hình phức tạp, đồng bằng th−ờng hẹp và thấp trũng, núi cao s−ờn dốc, cây rừng lại bị tàn phá ngày càng nghiêm trọng, do đó lũ bão xảy ra luôn có chiều h−ớng gia tăng trong 3 thập kỷ nay ngày càng ác liệt, lụt bão luôn là mối đe doạ th−ờng xuyên đối với đời sống và sản xuất của nhân dân Việt Nam. Việt Nam có l−ợng m−a bình quân hàng năm từ 1.800 mm đến 2.500mm, l−ợng m−a phân bổ không đều, 70-80% l−ợng 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 m−a, l−ợng m−a cũng phân bổ không đều, th−ờng tập trung vào một số đợt m−a lớn. L−ợng m−a ngày lớn nhất trung bình nhiều năm là 130-200 mm. L−ợng m−a một ngày lớn nất là 731 mm, l−ợng m−a một đêm lớn nhất (9/11/1984) là 702 mm, l−ợng m−a 2 ngày lớn nhất (10/1983) ở Huế là 1217 mm. L−ợng m−a phân bổ không đều nh− trên là nguồn gốc sinh ra các con lũ ở các triền sông. 7
8.  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 n−ớc láng giềng chảy qua Việt Nam rồi ra biển nh− hệ thống sông Hồng ở Bắc bộ, sông Cửu long ở Nam bộ. Tất các các con sông đến mùa m−a 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, tr−ớc đó đã có trận lũ năm 1945 từng đ−ợc coi là trận lũ lịch sử (thấp hơn 1971 sau này). Mực n−ớc lũ 1971 đã v−ợt quá khả năng chịu đựng của đê (mực n−ớc ngoài sông lúc này cao hơn mặt đất đồng 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 ng−ời bị ảnh h−ởng. Trận lũ năm 1971 làm vỡ 3 đoạn đê lớn, gây ngập 250.000 ha và 2,7 triệu ng−ời bị ảnh h−ởng 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 Ph−ợng) và sập 1 cống d−ới 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 d−ờng nh− cũng xảy ra nghiêm trọng trong những năm gần đây ở các tỉnh miền núi phía Bắc và Tây nguyên nh−: Lạng sơn, Cao bằng (1986); Lai châu, Đak Lak, Bắc Thái (1980); Sơn la, Lai châu (1991) một số vùng dân c− 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 n−ớc ta đã thiết lập Uỷ ban trị thủy và khai thác sông Hồng do Phó Thủ t−ớng làm chủ tịch, Bộ Thủy lợi là Văn phòng th−ờng trực. Sau trận lũ lịch sử năm 1971, Đảng và Nhà n−ớc 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 n−ớc loại lớn và loại vừa ở th−ợng nguồn sông. 3) Củng cố hệ thống đê. 8
9.  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 c−ờng công tác hộ đê phòng lụt. Đến nay những biện pháp đó đã đ−ợc 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 nh− trồng rừng, giải phóng lòng sông. Với mục tiêu chống đ−ợc con lũ t−ơng đ−ơng năm 1971 (tần suất 0,4%), cần vận hành điều tiết hồ Hòa Bình và Thác Bà khi gặp lũ th−ờng xuyên để giữ cho mức n−ớc Hà Nội không v−ợt qua báo động III (11,50 m). Nếu gặp lũ có tần suất lớn hơn nh− lũ năm 1986 mức n−ớc Hà Nội lên đến 12,35 m, lũ năm 1996 lên đến 12,48 m nếu xảy ra lũ nh− năm 1971 thì mức n−ớc tại Hà Nội 13,3 m. Nh−ng nếu gặp lũ nh− năm 1971 với dạng lũ năm 1964, 1969 thì khó có thể giữ đ−ợc mức n−ớc tại Hà Nội là 13,30 m, khi đó phải tính đến biện pháp phân lũ qua sông Đáy. Tháng 8 năm 1998 Thủ t−ớng 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 ph−ơng án xử lý lũ đặc biệt lớn và quyết định phân lũ. - Và "phải xây dựng ph−ơng án lâu dài, bền vững về củng cố đê, xây dựng hệ thống đê điều trong cả n−ớc, 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 n−ớc 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 đ−ợc 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 d−ới 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 đê biển. 9
10.  1. Đặc điểm hệ thông đê đồng bằng Bắc bộ: a) Về sự hình thành các tuyến đê: Đặc điểm của quá trình hình thành các tuyến đê ở đồng bằng và trung du Bắc bộ trong buổi đầu sơ khai là quá trình tự phát: do nhân dân tự làm với trình độ nhận thức và công cụ lao động lúc đó rất thô sơ. Vấn đề chọn tuyến và xử lý nền chắc chỉ đ−ợc giải quyết hết sức giản đơn. Chỉ có những năm sau này một số tuyến đê bị vỡ khi có lũ lớn hoặc một số nơi sông có sự đổi dòng hoặc phát triển thêm, việc lựa chọn tuyến đê mới đ−ợc chú ý đầy đủ đến các điều kiện kỹ thuật. Nói chung tuyến đê hiện có đ−ợc 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 th−ợng nguồn về phía biển với bề mặt nghiêng từ TB-ĐN. Bề mặt địa hình ven đê phía đồng ít thay đổi nh−ng do tác động của con ng−ời 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 l−ợng phù sa các bãi bồi có nơi đ−ợc tôn cao và mở rộng nh−ng 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 d−ới lên gặp phổ biến là cát, cát pha có nơi là bùn sét hữu cơ đ−ợc 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 d−ới nh− sau: a) Lớp phù sa: Phủ trực tiếp trên các giải địa hình ven đê phía sông có bề dày trung bình 2,00 ữ 2,5 m. b) Đất sét pha mầu nâu gụ: Tầng đất này phân bổ hầu hết d−ới nền đê dọc các tuyến sông chính. c) Đất sét màu xám xanh: 10
11.  Tầng đất này phân bổ d−ới nền đê vùng đồng bằng ở độ sâu 2,5m kể từ mặt đất tự nhiên, với độ dày trung bình 2,0 ữ 4,0 m. d) Bùn sét và bùn sét hữu cơ: Tầng này đ−ợc tạo thành chủ yếu ở những vùng trũng, các cửa sông, đáy hồ và đầm lầy hoặc ở những lòng sông cổ, tạo thành các thấu kính bùn khá dày 5-10m, độ sâu phân bố cách mặt đất 3-5 m. 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 d−ới 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 n−ớc 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 h−ởng 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 n−ớc ngầm tàng trữ trong tầng chứa n−ớc thứ nhất kể từ trên xuống. N−ớc ngầm ở tầng chứa n−ớc có quan hệ với n−ớc mặt: dâng cao về mùa m−a và hạ thấp về mùa khô. Biên độ dao động của n−ớc 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 đ−ờng kính nhỏ, l−ợng cát do n−ớc 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 đ−ợc 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 đ−ợc 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 l−ờng. 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 đ−ờng. Đê chỉ làm việc ngăn và chắn n−ớc trong mùa lũ. Thời gian làm việc 11
12.  trong năm của đê không nhiều. Ngay trong mùa lũ, điều kiện làm việc của đê không chỉ phụ thuộc mực n−ớc 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 ng−ời vào hệ thống đê: Một mặt con ng−ời phải làm mọi cách giũ gìn sự tồn tại của hệ thống đê để bảo vệ chính mình, nh−ng mặt khác con ng−ời cũng lại có tác động xấu đến hệ thống đê (đào, đắp, xây dựng công trình gần đê ). Nhà n−ớc ta đã có "Pháp lệnh bảo vệ đê điều" nhằm loại trừ các tác dụng xấu của con ng−ời lên đê. III- Mặt cắt ngang đặc tr−ng 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 nh− sau: (hình 1-1) Hình 1-1: Mặt cắt ngang đặc tr−ng của đê. - Thân đê chịu tác dụng của cột n−ớc H trong mùa lũ; chiều rộng đáy đê: B - Mực n−ớc sông mùa lũ (MNL) ngập trên bãi bồi. - Mực n−ớc sông mùa kiệt (MNK), nói chung thấp d−ới đáy lớp phủ. - Đất nền đê đ−ợc tổng hợp thành 2 lớp: + Lớp phủ phía trên đ−ợc đặc tr−ng bằng hệ số thấm K1 nhỏ thua K2 (của lớp d−ới) - gọi là lớp phủ ít thấm (hoặc lớp phủ). Chiều dày lớp này t=1-6m. Lớp này th−ờng có các loại á sét, thành phần hạt có thể thay đổi. Theo thành phần hạt có thể phân thành 2-3 lớp 12
13.  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. + D−ới lớp phủ ít thấm là lớp thấm n−ớc với hệ số thấm K2 (K2>K1) gọi là lớp thấm - chiều dày T = 20 ữ 60 m. Đây th−ờng 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 tr−ng của đê nh− trình bày trên mang tính chất đại diện. Nó đ−ợc xem nh− 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 n−ớc sông thấp, không ngập bãi bồi. - Mùa m−a, có lúc mực n−ớc lũ lên cao, tạo cột n−ớc H lên thân đê. Đê làm việc nh− một đập đất. Nền đê cũng chịu ảnh h−ởng 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 th−ờng: 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 đ−ợc . + 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 đ−ợc. D−ới đây xét từng loại. 1. Loại khả năng phá hoại bình th−ờng: a) Trong mùa khô: Mực n−ớc sông dao động chung quanh MNK, thấp hơn đáy lớp phủ. Nh− phần đặc điểm địa điểm thủy văn đã nêu ở trên, lúc này n−ớc ngầm từ tầng thấm n−ớc bổ sung cho sông (hình 1-2). Nh− vậy về thực chất đê giống nh− một đ−ờng giao thông đ−ợc đắp cao trên nền 2 lớp. Các dạng khả năng phá hoại là sự tr−ợt của 2 mái dốc phía sông và phía đồng d−ới tác dụng trọng l−ợng bản thân đê. Sự tr−ợt này th−ờng có dạng tr−ợt cung tròn - mặt tr−ợt có thể là tr−ợt nông - chỉ trên mái dốc, có thể là tr−ợt sâu - cùng một phần nền (hình 1-2). Nếu c−ờng độ và tải trọng giao thông trên mặt đê lớn và tập trung, phải xét đến ổn định của hai mái dốc và nền d−ới tác dụng của tải trọng này. 13
14.  Hình 1-2: Các dạng tr−ợt mái đê. Hình 1-3: Dòng thấm qua đê và nền trong mùa lũ. b) Trong mùa lũ: Mực n−ớc 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. 14
15.  - 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: + Tr−ợt các mái dốc d−ới tác dụng của áp lực thấm trong thân đê và chiều sâu mực n−ớc phía sông (hình 1-4). Đ−ờng bão hòa trong thân đê th−ờng dâng cao và lộ ra trên mái phía đồng. + Đoạn AB là đoạn n−ớc thấm rỉ ra trên mái đê phía đồng. Gradien ra của dòng thấm ở đây th−ờng lớn có thể gây nên xói lở đất trên đoạn AB. + Trong tr−ờng hợp mực n−ớc lũ rút xuống nhanh, mái đê phía sông có thể bị tr−ợt d−ới tác dụng của dòng thấm đi ng−ợc về phía mái dốc (hình 1-5). Hình 1-4: Tr−ợt 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 n−ớc (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. 15
16.  Hình 1-6: Sự hình thành mạch đùn, mạch sủi. 2. Dạng khả năng phá hoại đặc biệt: Các dạng phá hoại đặc biệt này th−ờng chỉ xảy ra trong mùa lũ với thân đê: a) Dạng thứ nhất: Nh− 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 nh− vậy, sự thấm không tuân theo các ph−ơng 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 đ−ờng ngắn nhất nối liền các vùng này với nhau. Trong điều kiện nh− thế, ph−ơng trình dòng thấm đã không còn đ−ợc tuân thủ. Trong tr−ờng hợp này, dòng thấm sẽ gây tr−ợt 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. b) Dạng thứ hai: Do động vật đào hang (chuột, mối ) hoặc những nguyên nhân bất th−ờng nào đó mà trong thân đê tồn tại đ−ờng thấm tập trung nh− mô tả trên hình 1-8. Trong những tr−ờng hợp nh− thế này, sự phá vỡ đê có thể xảy ra khá nhanh. 16
17.  Hình 1-8: Sơ đồ các đ−ờng thấm tập trung trong đê. c) Dạng thứ ba: Tại chỗ có các cống lấy n−ớc qua đê (hoặc trạm bơm đặt trên đê), chỗ tiếp giáp giữa các công trình bê tông với đất (đ−ờng ống trong thân đê, t−ờng biên các công trình) th−ờng 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: Trên hình 1-9a, mặt ngoài các cống lấy n−ớc đặt trong thân đê có mái "nghiêng ng−ợc" (tựa lên đất đắp). Do đất lún theo thời gian nên tạo thành các khe hở giữa bê tông và đất dọc theo đ−ờng AB. Tr−ờng 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 t−ờng 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. Hình 1- 9: Các dạng hang thấm tập trung. 17
18.  ♣1-4. Các công trình bảo vệ bờ Các công trình này đ−ợc xây dựng để bảo vệ bờ sông, bờ biển khỏi tác dụng phá hoại của dòng chảy trong sông , dòng ven bờ biển và của sóng gió. Ngoài hệ thống đê để bảo vệ các vùng lãnh thổ khỏi bị ngập bởi n−ớc lũ và thủy triều thì các công trình bảo vệ bờ cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các khu dân c− và kinh tế. Đặc biệt trong thời gian gần đây, do tác động của các biến đổi khí hậu toàn cầu, các quy luật về sóng gió, dòng chảy, bùn cát cũng có những biến động bất lợi hơn, đe doạ đến an toàn của các khu dân c− và kinh tế rộng lớn dọc các bờ sông, bờ biển. Từ thực tế các trận lũ lụt trong những năm vừa qua cho thấy có những đoạn bờ sông, bờ biển đã ổn định trong nhiều năm, nay lại phải trải qua những diễn biến phức tạp do sông đổi dòng, biển lấn vào đất liền Điều này đòi hỏi công tác thiết kế các công trình bảo vệ bờ cần bổ sung các điều kiện mới trong tính toán, đồng thời cần phải xây dựng các quy hoạch tổng thể về bảo vệ bờ sông, bờ biển trong từng khu vực rộng lớn. Do đặc điểm tác dụng của dòng chảy và sóng gió lên công trình, th−ờng phân biệt các công trình bảo vệ bờ sông và công trình bảo vệ bờ biển. 1- Công trình bảo vệ bờ sông: Loại này chịu tác động chủ yếu là từ các dòng chảy trong sông , đặc biệt là về mùa lũ. Các công trình bảo vệ bờ sông đ−ợc 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 h−ớng 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 h−ớng xác định. - Các mỏ hàn mềm đ−ợc 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 h−ớng dòng chảy mặt vào cửa lấy n−ớc, xói trôi bãi bồi, bảo vệ các đoạn bờ xung yếu 2- Công trình bảo vệ bờ biển: Khác với công trình bảo vệ bờ sông, các công trình bảo vệ bờ biển chịu tác động của hai yếu tố chính là: - Tác dụng của sóng gió. - Tác dụng của dòng ven bờ. Dòng này có thể mang bùn cát bồi đắp cho bờ hay làm xói chân mái dốc dẫn đến sạt lở bờ. Ngoài ra các công trình bảo vệ bờ biển đ−ợc xây dựng trong môi tr−ờng n−ớc mặn nên cần lựa chọn vật liệu thích hợp. Công trình bảo vệ bờ biển gồm các loại sau: 18
19.  a) Các loại kè biển: Dùng các vật liệu khác nhau để gia cố bờ trực tiếp, chống sự phá hoại của sóng và dòng chảy. Do tác dụng của sóng gió, giới hạn trên của kè phải xét đến tổ hợp bất lợi của sóng gió và thủy triều, trong đó kể cả độ dâng cao mực n−ớc do gió bão. Với các đoạn bờ biển không có sự che chắn của hải đảo và rừng cây ngập mặn, sóng biển dội vào bờ th−ờng có xung lực rất lớn, mực độ phá hoại mạnh, nên kết cấu kè biển th−ờng phải rất kiên cố, và tiêu tốn nhiều vật liệu. Với các đoạn bờ biển chịu tác dụng của dòng ven có tính xâm thực (làm xói chân bờ) thì giới hạn d−ới của chân kè phải đặt ở phạm vị mà ở đó bờ biển không còn khả năng bị xâm thực (đ−ợc xác định từ tài liệu quan trắc và tính toán dòng ven). b) Các loại công trình giảm sóng, ngăn cát: Đ−ợc xây dựng trên vùng bãi phía tr−ớc 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 t−ơng đối dồi dào. - Đê mỏ hàn cũng nh− đập mỏ hàn ở bờ sông, đ−ợc 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 đ−ợc đặt song song với bờ, và cách bờ một khoảng nhất định (xác định theo điêu kiện kinh tế - kỹ thuật). Đê đ−ợc bố trí gồm các quãng liền và đứt xen kẽ, các quãng liền có thể làm cao hơn mặt n−ớc (đê nổi) hoặc chìm d−ới n−ớc (đê ngầm giảm sóng). - Các mỏ hàn dạng chữ T, chữ Y: là các ph−ơng 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 ch−ơng 5. 19
20.  Ch−ơng iI Tính toán các thông số của sóng vμ n−ớc dâng ♣2-1. Khái niệm chung Khi thiết kế đê sông cũng nh− đê biển, cần phải xác định các thông số thủy lực của dòng chảy mặt có ảnh h−ởng đến kích th−ớc và khả năng chịu lực của đê. Các thông số quan trọng nhất là: mực n−ớc tính toán ( ứng với các tr−ờng hợp tính toán khác nhau), mực n−ớc 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, h−ớng của dòng chảy mặt và h−ớng chuyển bùn cát đáy cũng ảnh h−ởng tới các quá trình diễn biến bờ và an toàn của đê. Vấn đề này đ−ợc trình bày trong các chuyên đề về động lực học sông ngòi và động lực học vùng ven biển. Trong ch−ơng này chỉ đề cập đến việc tính toán các thông số của sóng và n−ớc 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), h−ớng gió ( β), đà sóng(D), thời gian gió thổi liên tục (t), độ sâu n−ớc (h) v.v Mô tả hình dạng của con sóng điển hình nh− trên hình 2-1 Hình 2-1: Mặt cắt và các thông số của sóng. Các thông số chính của sóng nh− sau: - Đ−ờng trung bình của sóng: Đ−ờng cắt đ−ờng ghi dao động sóng sao cho tổng diện tích ở trên và d−ới nó là nh− nhau. - Đầu sóng: Phần sóng nằm trên đ−ờng trung bình của sóng; - Đỉnh sóng: Điểm cao nhất của đầu sóng ; 20
21.  - Bụng sóng: Phần sóng nằm ở phía d−ới đ−ờng 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 b−ớc 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 h−ớng truyền sóng. - Vận tốc sóng(vs): Tốc độ di chuyển của đầu sóng theo h−ớng truyền sóng. Vì các yếu tố tạo sóng (w,β,D,t,h .) là các đại l−ợng thay đổi th−ờng xuyên và có vô vàn các tổ hợp của chúng nên các yếu tố của sóng phải đ−ợc xét nh− là các đại l−ợng ngẫu nhiên và đ−ợc phản ánh thông qua các đặc tr−ng thống kê của sóng. Trong thực tế, ng−ời ta sử dụng 2 loại đặc tr−ng thống kê của sóng nh− 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 th−ờng đ−ợc dùng nhiều trong các tài liệu của ph−ơng Tây hiện nay. - Chiều cao sóng Hs 1/10: Cách xác định cũng t−ơng tự nh− 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 tr−ng loại này hay loại khác. II. Các ph−ơng pháp tính toán sóng: Tùy theo điều kiện số liệu đầu vào và yêu cầu của thiết kế mà có thể sử dụng các ph−ơng pháp tính toán sau: 1. Ph−ơng pháp Cr−lop (Liên Xô cũ): Ph−ơng pháp này đã đ−ợc đ−a 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 ph−ơng pháp này cũng đ−ợc chấp nhận và đ−a vào các qui phạm QPTL C1-78 (Bộ Thủy lợi tr−ớc đây) và 22TCN 222- 95 (Bộ giao thông vận tải) hiện nay. 21
22.  2. Ph−ơng pháp biểu đồ Hincat: Đ−ợc giới thiệu nhiều trong tài liệu ph−ơng Tây. Các trị số chiều cao sóng tìm đ−ợc 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 đ−ợc xét ở đây bao gồm gió (h−ớng, vận tốc, thời gian thổi liên tục), đà sóng, chiều sâu n−ớc phía tr−ớc 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 đ−ợc chiều cao lớn nhất (ứng với một mức đảm bảo đã cho). Sau đây trình bày cách xác định các yếu tố tạo sóng nh− là các số liệu đầu vào để tính toán sóng. I. Gió: 1. H−ớng gió: Các đặc tr−ng của gió đ−ợc thống kê theo từng h−ớng xác định hoặc là không kể h−ớng. Theo h−ớng, các thông số của gió có thể đ−ợc mô tả theo kiểu hoa hồng 4 cánh (gồm 8 h−ớng: Đ, T, N, B, ĐB, ĐN, TB, TN) hoặc hoa hồng 8 cánh (gồm 16 h−ớng). Khi công trình xây dựng ở vùng mà h−ớng gió th−ờng xuyên thay đổi hoặc không xác định, có thể xác định các đặc tr−ng thống kê không kể h−ớng của gió. Với một tuyến công trình đê đập xác định, h−ớng gió đ−ợc đặc tr−ng bởi góc β, là góc nhọn giữa h−ớng gió thổi và h−ớng vuông góc với tuyến công trình. Khi h−ớng gió thổi vuông góc với tuyến công trình, ta có β = 0. 2. Vận tốc gió: Trị số tính toán là vận tốc gió trung bình trong 10 phút tự ghi của máy đo gió ở độ cao 10 m trên mặt n−ớc: W10 = K1.Kđ.K10.Wt (2-1) Trong đó: Wt: Vận tốc gió thực đo, lấy trung bình trong 10 phút và với tần suất đảm bảo đ−ợc quy định khi thiết kế công trình (theo các qui phạm hiện hành). K1- Hệ số tính đổi từ máy đo; 5.4 K1 = 0.675 + , K1 ≤ 1. (2-2) Wt 22
23.  Kđ - Hệ số tính đổi vận tốc gió sang điều kiện mặt n−ớc Khi đo trên bãi cát bằng phẳng, Kđ = 1; Khi đo trên loại địa hình khác, theo bảng 2-1. Bảng 2-1: Giá trị của Kđ ở các loại địa hình. Tốc độ gió Wt(m/s) Dạng địa hình A Dạng địa hình B Dạng địa hình C 10 1.10 1.30 1.47 15 1.10 1.28 1.44 20 1.09 1.26 1.42 25 1.09 1.25 1.39 30 1.09 1.24 1.38 35 1.09 1.22 1.36 40 1.08 1.21 1.34 Ghi chú: - Dạng địa hình A: Các địa hình trống trải (bờ biển, bờ hồ trống trải, đồng cỏ, đồng cỏ có rừng th−a, rừng non). - Dạng địa hình B: Các thành phố có nhà cao 10m so với mặt đất. - 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 n−ớc, xác định theo bảng 2-2. Bảng 2-2: Hệ số chuyển đổi vận tốc gió K10. Khoảng cách giữa máy 5 6 7 8 9 10 11 12 đo gió và mặt n−ớc (m) K10 1.14 1.11 1.07 1.04 1.02 1.00 0.98 0.97 Khoảng cách giữa máy 13 14 15 16 17 18 19 20 đo gió và mặt n−ớc (m) K10 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.89 23
24.  3. Thời gian gió thổi liên tục (t): Thời gian gió thổi liên tục có ảnh h−ởng trực tiếp đến các thông số của sóng gió. Khi các điều kiện đã cho, có tồn tại một ng−ỡng 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 n−ớc (thiên nhiên và nhân tạo), 12 giờ đối với biển và 18 giờ đối với đại d−ơng. II. Đà sóng (D): Đà sóng đ−ợc xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo. 1. Nếu địa điểm dự báo là vùng n−ớc hẹp, D đ−ợc xác định theo ph−ơng pháp đồ giải "đà sóng t−ơng đ−ơng" (hình 2-2). 2 ∑ ri cos αi i Dtd= (2-3) ∑ cos αi i Trong đó: αi Góc lập giữa tia tính toán thứ i với h−ớng gió chính ri Chiều dài đà sóng theo h−ớng tia thứ i Hình 2-2: Sơ đồ xác định đà sóng t−ơng đ−ơng Dtd 24
25.  Cách xác định cụ thể nh− sau: - Từ vị trí dự báo vẽ một tia thẳng theo h−ớng gió chính (Tia xạ chính). Tia này có i = 0, α0 = 0. 0 - Tiếp theo trong phạm vi ± 45 của hai phía tia xạ chính vẽ các góc αi = 7,5 i (độ) Với i = -6 ữ +6; đo các đà sóng ri t−ơng ứng. Trị số đà sóng t−ơng đ−ơng là trị số trung bình các hình chiếu của các tia ri lên tia xạ chính. 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 tr−ớc đ−ợc xác định theo công thức: υ D = 5.1011 ; (2-4) w 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 đ−ợc xác định theo bảng 2-3 Bảng 2-3: Trị số chiều dài đà sóng theo giới hạn Dmax (km). W(m/s) 20 25 30 40 50 Dmax (km) 1600 1200 600 200 100 Chú ý: - Vận tốc gió tính toán khi đà sóng nhỏ hơn 100km đ−ợc phép xác định theo số liệu quan trắc thực tế đối với vận tốc gió cực đại hằng năm không xét đến độ dài thời gian có gió. - Khi đà sóng lớn hơn 100km thì vận tốc gió tính toán phải xác định có xét tới sự phân bố theo không gian của nó. III. Mực n−ớc tính toán và chiều sâu n−ớc tr−ớc công trình: 1. Mực n−ớc tính toán: Mực n−ớc tính toán đ−ợc chọn theo các tần suất bảo đảm do qui phạm qui định, và theo các tr−ờng hợp tính toán t−ơng ứng. ở n−ớc ta hiện nay, các qui phạm về đê sông, đê biển ch−a đ−ợc ban hành chính thức (đang ở mức dự thảo) nên có thể chọn các tần suất bảo đảm theo các tài liệu chuyên môn t−ơng ứng ở trong và ngoài n−ớc. Chẳng hạn, theo quy phạm đê của Trung Quốc: 25
26.  Cấp đê I II III IV V Thời kỳ xuất hiện lại (năm) ≥ 100 ≥ 50 ữ 100 ≥ 30 ữ 50 ≥ 20 ữ 30 ≥ 10 ữ 20 Theo QPTL C1-78, khi xác định các yếu tố của sóng gió và n−ớc 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 n−ớc (theo tần suất bảo đảm) ch−a kể đến chiều cao n−ớc dâng do gió thì cần cộng thêm trị số mực n−ớc dâng tính toán vào mực n−ớc tính toán sóng. 2. Các vùng tính toán sóng: Khi tính toán cho các đê biển, đê sông có bờ thoải, độ sâu n−ớc h biến đổi dọc theo chiều truyền sóng và có ảnh h−ởng đến các thông số của sóng. Rõ ràng là khi n−ớc 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 đ−ợc tính theo các vùng nh− sau: a) Vùng sóng n−ớc sâu: h ≥ 0.5 Ls, các yếu tố của sóng không chịu ảnh h−ởng của đáy sông, biển. b) Vùng sóng n−ớc nông: hpg < h < 0.5 Ls, địa hình đáy có ảnh h−ởng 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, tr−ờn 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 tr−ớc công trình là bờ thoải liên tục thì tr−ớc hết phải xác định các yếu tố sóng tại vùng n−ớc sâu, sau đó tính toán biến dạng của các yếu tố sóng n−ớc sâu đó trong quá trình truyền vào bờ, đi qua các vùng n−ớc nông, sóng đổ và sóng leo. 26
27.  ♣2-3. Tính toán các thông số của sóng theo ph−ơng pháp Cr−lốp 1. Các thông số của sóng vùng n−ớc sâu (h ≥ 0.5 Ls) a) Các đặc tr−ng sóng bình quân ( Hs và Ls ): Xác định theo đ−ờng giới hạn trên trong đồ thị hình 2-3 theo đó tìm đ−ợc các cặp giá gH gT D.g t.g trị s và s từ các đại l−ợng không thứ nguyên và . Chọn lấy cặp giá trị bé W2 W W2 W nhất trong hai cặp số tìm đ−ợc, từ đó sẽ tính ra Hs và Ts . Chiều dài sóng trung bình xác định theo công thức: 2 T.g L = s (2-5) s 2π b) Chiều cao sóng có mức đảm bảo p% Hsp = Kp. Hs (2-6) Trong đó: D.g Kp tra trên đồ thị hình 2-4 theo mức bảo đảm p% và thông số . W2 2. Các thông số của sóng vùng n−ớc nông: a) Tr−ờng hợp độ dốc đáy i ≥ 0.002 - Chiều cao sóng với mức đảm bảo p% xác định theo công thức: Hsp = Kt.Kr.Ki.Kp. H;s (2-7) Trong đó: Ki là hệ số tổng hợp các tổn thất, (bảng 2-4). Kt hệ số biến dạng lấy theo đồ thị 1, (hình 2-5). Kr hệ số khúc xạ, xác định theo công thức: a K = o (2-8) r a 27
28.  Hình 2-4: Đồ thị xác định Ki định xác thị Đồ 2-4: Hình tố sóng của Hình thị yếu Đồ địnhxác 2-3: các 28
29.  ở đây: ao- Khoảng cách giữa những tia sóng cạnh nhau ở phía vùng n−ớc sâu a- khoảng cách giữa chính các tia đó, nh−ng theo đ−ờng thẳng vẽ qua một điểm cho tr−ớc ở vùng n−ớc nông (m). Hình 2-5: Đồ thị xác định hệ số Kt (1) và đại l−ợng hpg/ Ls (2,3,4). Hình 2-6: Sơ đồ và các đồ thị lập bình đồ khúc xạ a) Mặt bằng khúc xạ; b) Đồ thị xác định góc khúc xạ 29
30.  Trên mặt bằng khúc xạ, các tia sóng ở vùng n−ớc sâu phải lấy theo h−ớng lan truyền sóng đã cho tr−ớc, còn ở vùng n−ớc nông phải kéo dài các tia đó theo ph−ơng pháp thể hiện trên hình 2-6. Đ−ợc phép lấy giá trị của hệ số Kr theo kết quả xác định hệ số khúc xạ đối với các tia sóng vẽ từ điểm tính toán theo các h−ớng lệch 22,5o so với tia chính. Hệ số tổng hợp các tổn thất Ki đ−ợc xác định theo bảng 2-4 ứng với các giá trị đã biết của đại l−ợng h/Ls và độ dốc đáy i. Khi i ≥ 0.03 thì Ki = 1 Bảng 2-4: Trị số hệ số tổn thất tổng hợp Ki Độ sâu t−ơng đối h/ Ls i = 0.002ữ0.02 i = 0.025 0.01 0.66 0.82 0.02 0.72 0.85 0.03 0.76 0.87 0.04 0.78 0.89 0.06 0.81 0.90 0.08 0.84 0.92 0.10 0.86 0.93 0.20 0.92 0.96 0.30 0.95 0.98 0.40 0.98 0.99 ≥ 0.50 1.00 1.00 b) Tr−ờng hợp vùng n−ớc nông có độ dốc đáy i ≤ 0.001 - Chiều cao Hs và chu kỳ Ts xác định theo đồ thị hình 2-3, theo các đại l−ợng không D.g h.g thứ nguyên và W2 W2 Chiều cao sóng có mức đảm bảo p% (Hsp) cũng xác định theo công thức (2-6), trong D.g h.g đó Kp tra ở đồ thị hình 2-4 theo các đại l−ợng không thứ nguyên và , chọn lấy trị W2 W2 số nhỏ trong hai giá trị Kp tìm đ−ợc. Chiều dài sóng cũng xác định theo công thức (2-5) 30
31.  - Các yếu tố sóng truyền từ vùng n−ớc nông có độ dốc đáy i ≤ 0.001 vào vùng có i ≥ 0.002 cũng xác định theo ph−ơng pháp trình bày ở mục a), trong đó trị số chiều cao sóng trung bình ban đầu Hs lấy từ vùng n−ớc sâu. 3. Các thông số của sóng tại vùng sóng đổ. a) Chiều cao sóng ứng với mức đảm bảo 1% (Hđ 1%): Theo đồ thị (các đ−ờng cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại l−ợng không thứ nguyên H h/ L và độ dốc đáy i, tìm đ−ợc trị số d1% từ đó có H s 2 đ1% T.g s - Chiều dài sóng ở vùng sóng đổ Ld (m) xác định theo đ−ờng cong bao phía trên của hình 2-7. ứng với đại l−ợng h/ L,d tìm đ−ợc trị số L/d Ls và suy ra L.d b) Chiều sâu phân giới khi sóng đổ lần thứ nhất hpg (m): Theo đồ thị đ−ờng cong 2,3,4 ) trên hình 2-5, ứng với đại l−ợng không thứ nguyên H h sp tìm đ−ợc pg và suy ra h . 2 pg T.g s Ls Khi xét đến khúc xạ của sóng, trị số hpg phải xác định theo ph−ơng pháp đúng dần. Tự cho các giá trị độ sâu h, theo ph−ơng pháp nêu ở mục 2 - a (công thức 2 - 7, 2 - 8) xác định H các đại l−ợng sp . Tiếp theo, từ các đồ thị 2,3, 4 hình 2-5 xác định t−ơng ứng các trị số 2 T.g s hpg suy ra hpg. Trị số đ−ợc chọn sẽ t−ơng ứng với tr−ờng hợp hpg = h. Ls c) Độ sâu phân giới ứng với sóng đổ lần cuối hđ: Khi độ dốc đáy không đổi, hđ xác định theo công thức: n− 1 hđ = Km hpg (2-9) 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 n− 2 n− 1 kiện Km ≥ 0.43 và Km < 0.43. Khi độ dốc đáy lớn hơn 0.05, lấy hđ = hpg 31
32.  Bảng 2-5: Trị số hệ số Km. Độ dốc đáy i 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Hệ số Km 0.75 0.63 0.56 0.50 0.45 0.42 0.40 0.37 0.35 Khi độ dốc đáy thay đổi cho phép xác định hđ theo kết quả xác định liên tiếp các chiều sâu phân giới đối với đoạn đáy có độ dốc không đổi. Hình 2-7: Đồ thị xác định các giá trị L/ Ls ở vùng n−ớc nông và các giá trị Ls/ Ls ở vùng sóng đổ. ♣2-4. Tính toán các thông số của sóng biển theo biểu đồ Hincat 1. Tr−ờng hợp độ sâu n−ớc h > 15 m (sóng n−ớc 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 đ−ợc chiều cao sóng có ý nghĩa H1/3 và chu kỳ sóng Ts. 2. Tr−ờng hợp độ sâu n−ớc h ≤ 15 m: Sử dụng các biểu đồ trên hình từ 2-9 a,b. Cách sử dụng cũng giống nh− tr−ờng hợp trên. Trên các biểu đồ này còn có thêm đại l−ợng thời gian gió thổi tối thiểu tmin, tức là thời gian cần thiết để sóng đạt tới trạng thái ổn định. 32
33.  Hình 2-8: Đồ thị xác định các thông số sóng n−ớc sâu. 33
34.  a) Chiều sâu n−ớc 3 m b) Chiều sâu n−ớc 6 m Hình 2-9: Các thông số của sóng khi h < 15 m. 34
35.  3. Các tr−ờng hợp riêng: a) Tr−ờng hợp đà sóng lớn, độ sâu khu n−ớc thay đổi nhiều. Lúc này chia đà sóng thành những đoạn riêng, trên mỗi đoạn độ sâu coi nh− không thay đổi và bằng trị số độ sâu trung bình. Tiếnhành tính cho từng đoạn từ khu vực n−ớc sâu trở vào với các giá trị Wa, Di, hi, hsi t−ơng ứng. b) Tr−ờng hợp thời gian gió thổi t 15m. Giải: Sử dụng đồ thị hình 2-8, đ−ờng cong dự báo sóng ở vùng n−ớc sâu, với Wa và D đã cho tra đ−ợc : Hs = 1.90 m, Ts = 4.5s, thời gian gió thổi tmin = 1.2 giờ. b) Ví dụ 2: Yêu cầu xác định các thông số của sóng (chiều cao sóng Hs, chu kỳ sóng Ts, thời gian tác dụng tối thiểu của gió tmin ). khi biết: - Vận tốc gió Wa = 35 m/s. - Đà sóng D = 1000 m. - Độ sâu n−ớc thiết kế h = 6,0m. Giải: Sử dụng đồ thị hình 2-9b, đ−ờng cong dự báo sóng ở vùng n−ớc nông có độ sâu cố định h = 6.0m, với Wa và D đã cho, tra đ−ợc : Hs = 0.6 m, Ts = 2s, thời gian tác dụng của gió tmin = 36 phút. c) Ví dụ 3: Yêu cầu xác định các thông số của sóng. Khi biết: - Vận tốc gió Wa = 30 m/s. 35
36.  - Đà sóng D = 1000 m. - Độ sâu n−ớc thiết kế h = 3.0 m. Thời gian gió thổi t = 30 phút. Giải: Sử dụng đồ thị hình 2-9a, đ−ờng cong dự báo sóng ở vùng n−ớc nông có độ sâu cố định h = 3.0m, với Wa = 30 m/s và D = 1000m/s tra đ−ợc tmin = 38 phút. Thực tế có t< tmin, nên ch−a đủ thời gian để sóng phát triển đầy đủ. Khi đó tra trên đồ thị đã dẫn, ứng với Wa = 30 m/s và t = 30 phút ta đ−ợc: - Chiều cao sóng hiệu quả Hs = 0.22m. - Chu kỳ sóng Ts = 1.5s. ♣2-5. Tính toán chiều cao sóng leo Chiều cao sóng leo lên mái đê phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− các thông số sóng tr−ớc đê HsL, s , hệ số mái dốc đê, mức đảm bảo p%, độ nhám và tính thấm của mái, vận tốc gió, chiều sâu n−ớc tr−ớc đê, h−ớng truyền sóng I. Tr−ờng hợp dốc đơn (mái nghiêng với một độ dốc): 1. Khi m = 1.5 ữ 5.0 ( tr−ờng hợp phổ biến): Chiều cao sóng leo ứng với mức đảm bảo p% tính theo công thức: KΔ .Kw .K pl .Kβ Hpsl = Hs.Ls (2-10) 1+ m2 Trong đó: m- Hệ số mái dốc của đê; HsL, s : Chiều cao và chiều dài sóng trung bình tr−ớc 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 n−ớc tr−ớc 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 h−ớng truyền sóng và h−ớng vuông góc với tuyến đê, xác định theo bảng 2-9. 36
37.  Bảng 2-6: Hệ số nhám và thấm của mái dốc KΔ TT Loại hình gia cố mái KΔ 1 Trơn phẳng, không thấm n−ớc (BT nhựa đ−ờng) 1.0 2 Bê tông và tấm lát bê tông. 0.9 3 Lát cỏ 0.85ữ0.90 4 Đá xây 0.75ữ0.80 5 Đá hộc đổ 2 lớp (nền không thấm n−ớc) 0.60ữ0.65 6 Đá hộc đổ 2 lớp (nền thấm n−ớc) 0.50ữ0.55 7 Khối vuông 4 chân (lắp đặt 1 lớp) 0.55 8 Khối tetrapod (2 lớp)- Xem ch−ơng 4 0.40 9 Khối dolos (2 lớp)- Xem ch−ơng 4 0.38 Bảng 2-7: Hệ số kinh nghiệm KW W / h.g 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 ≥ 5 KW 1 1.02 1.08 1.06 1.22 1.25 1.28 1.30 Bảng 2-8: Hệ số tính đổi Kpl để tính chiều cao sóng leo H s/h P% 0.1 1 2 3 4 5 10 13 20 50 0.3 2.13 1.86 1.76 1.70 1.65 1.61 1.48 1.40 1.31 0.99 Trong đó: p% - Mức bảo đảm xuất hiện của con sóng; Hs - Chiều cao sóng trung bình tr−ớc đê; h - Độ sâu n−ớc tr−ớc đê 37
38.  Bảng 2-9: Hệ số Kβ ; β: góc giữa h−ớng truyền sóng và h−ớng pháp tuyến với đê β (độ) ≤ 15 20 30 40 50 60 Kβ 1.0 0.96 0.92 0.87 0.82 0.76 2. Khi m ≤ 1.25: Theo công thức Hslp = KΔ.Kw.Kpl.Kβ.Ro. Hs (2-11) Trong đó Ro- chiều cao sóng leo dẫn suất, tính khi không có gió, mặt dốc trơn và không thấm n−ớc (KΔ = 1), chiều cao sóng trung bình Hs = 1m. Trị số của Ro xác định theo bảng 2-10. Các trị số khác nh− ở mục trên. Bảng 2-10: Trị số chiều cao sóng leo dẫn suất Ro. Hệ số mái m 0 0.5 1 1.25 Ro 1.24 1.45 2.20 2.50 3. Khi 1.25 0, mD > mT hw m = (m +0.3Δm-0.1Δm2).(1-4.5 ).hb (2-14) C T Ls 38
39.  3. khi Δm 0. - Khi thềm giảm sóng ở trên mực n−ớc tĩnh thì hw < 0. bf- Chiều rộng thềm giảm sóng (m). Ls- chiều dài sóng (m) Ph−ơng pháp độ dốc t−ơng đ−ơng thích hợp trong điều kiện: mT = 1.0 ữ 4.0; mD = 1.5 ữ 3.0; hw bf = -0.067 ữ 0.067; ≤ 0.25. Ls Ls ♣2-6. Tính toán áp lực sóng I. áp lực sóng lên mái nghiêng: 1. áp lực sóng d−ơng: Đối với mái dốc đ−ợc gia cố bằng bê tông đổ tại chỗ hay tấm bê tông lắp ghép, khi hệ số mái thoả mãn điều kiện 1.5 ≤ m ≤ 5 thì biểu đồ áp lực sóng d−ơng (sóng vỗ vào mái) có dạng nh− hình 2-10. Hình 2-10: Biểu đồ áp l−c sóng tính toán lớn nhất lên mái dốc đ−ợc gia cố bằng các tấm bản. 39
40.  Trong đó trị số áp suất sóng lớn nhất (p2) xác định theo công thức: p2 = Kno.Knb. p.2 γ.Hs (2-16) Trong đó: Kno- hệ số xác định theo công thức: Hs Hs Kno = 0.85 + 4.8 + m.(0.028-1.15 ) (2-17) Ls Ls Knb hệ số lấy theo bảng 2-11. p-2 áp lực sóng t−ơng đối lớn nhất, lấy theo bảng 2-12. γ- Trọng l−ợng riêng của n−ớc; Hs- Chiều cao sóng tính toán (với mức đảm bảo p%) Bảng 2-11: Hệ số Knb Độ thoải của sóng Ls /Hs 10 15 20 25 35 Knb 1.0 1.15 1.30 1.35 1.48 Bảng 2-12: Trị số áp lực sóng t−ơng đối p2 Chiều cao Hs (m) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 ≥ 4.0 Trị số P2 3.7 2.8 2.3 2.1 1.9 1.8 1.75 1.7 Độ sâu Z2 tính bằng mét, của điểm chịu áp suất p2 xác định theo công thức: 1 2 Z2 = A + .(1− 2m + 1).(A + B) (2-18) m2 Trong đó: A, B là các đại l−ợng tính bằng mét, xác định nh− sau: L 1+ m2 A = Hs.(0.47 + 0.023 s ). (2-19) 2 Hs m H B = Hs.[(0.95 - 0.84m - 0.25). s ] (2-20) Ls Độ cao Z3 đ−ợc xác định theo chiều cao sóng leo nêu ở tiết 2-5. 40
41.  ở các phần gia cố mái cao hơn và thấp hơn điểm 2 (hình 2-10), lấy trị số tung độ biểu đồ áp lực sóng nh− sau: ở khoảng cách l1 = 0.0125Lm và l3 = 0.0265 Lm : p = 0.4P2 ở khoảng cách l2 = 0.0325Lm và l4 = 0.0675 Lm : p = 0.1P2 Trong đó: mLs Lm = (m) (2-21) 4 m2 − 1 2. áp lực sóng âm (phản áp lực sóng): Khi sóng rút, trị số tức thời của áp lực n−ớc lên tấm bảo vệ mái sẽ có h−ớng đẩy ng−ợc từ d−ới lên trên theo ph−ơng vuông góc với mặt tấm- đó là trị số áp lực sóng âm. C−ờng độ áp lực (áp suất) sóng âm xác định theo: Ppa = Kno.Knb. p.pa γ.Hs (2-22) Trong đó trị số Kno, Knb, γ, Hs nh− đã giải thích ở trên; ppa - Trị số áp lực âm t−ơng đối, phụ thuộc vào bề rộng tấm bê tông (Bt); vị trí đặt tấm (X) và chiều dài Ls, xác định theo các đồ thị hình 2-11 Hình 2-11: Đồ thị xác định áp suất sóng âm t−ơng đối ppa Khi có các bậc cơ hoặc có các trị số thay đổi độ nghiêng trên từng đoạn mái dốc của công trình thì tải trọng do sóng lên kết cấu gia cố mái cần đ−ợc chính xác hoá theo các số liệu thí nghiệm mô hình. 41
42.  II. áp lực sóng lên các công trình bảo vệ bờ. 1. Đê ngầm giảm sóng: Tải trọng sóng tác dụng lên đê trong tr−ờng hợp bụng sóng lấy theo sơ đồ hình 2-12. Biểu đồ áp lực sóng khi đó đ−ợc xác định bởi các thông số Z1, Z2, Z3, Z4, P1, P2, P3. Cần phân biệt 2 tr−ờng hợp: a) Khi độ dốc đáy i ≤ 0.04 - Tại độ sâu Z1: p1 = γ(Z1+Z4) khi Z1 0.04: - Tại độ sâu Z1: p1 xác định theo (2-23) và (2-24) - Tại độ sâu Z2: p2 = γ(Z2 +Z4) (2-27) - Tại độ sâu Z3 = h: p3 = p2 (2-28) Trong đó: Z1: Khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực n−ớc tính toán; Z2: Khoảng cách từ mực n−ớc tính toán tới chân sóng lấy theo đại l−ợng t−ơng đối Z2/h ở bảng 2-13. K5: Hệ số lấy theo bảng 2-14. Z4: Khoảng cách từ mặt n−ớc sau đê ngầm giảm sóng tới mực n−ớc tính toán xác định theo công thức: Z4 = Ko.(Z1+Z5)-Z1 (2-29) Ko- Hệ số lấy theo bảng 2-13 Z5: Khoảng cách trung bình thời gian từ đỉnh sóng tr−ớc đê ngầm tới mực n−ớc tính toán, lấy theo đại l−ợng t−ơng đối Z5/h ở bảng 2-13 42
43.  Hình 2-12: Biểu đồ áp lực sóng lên đê ngầm giảm sóng Bảng 2-13: Các thông số của sóng tr−ớc đê ngầm Chiều cao t−ơng đối 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Của sóng Hs/h Độ hạ thấp t−ơngđối 0.14 0.17 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 của chân sóng Z2/h Độ v−ợt cao t−ơng đối 0.13 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.37 của đỉnh sóng Z5/h Hệ số Ko 0.76 0.73 0.69 0.66 0.63 0.60 0.57 Bảng 2-14: Hệ số Ks Độ thoải của sóng Ls /Hs 8 10 15 20 25 30 35 Hệ số ks 0.73 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.0 2. T−ờng chắn sóng xa bờ: a) Khi công trình nằm ở vị trí sóng đổ lần cuối (hình 2-13a) Ls P = γ.Hs.(0.033. +0.75) (2-30) đ h Zđ = Pđ/γ (2-31) 43
44.  b) Khi vị trí công trình ở vùng gần mép n−ớc (hình 2-13,b) ld Pm = (1 - 0.3 ).Pđ (2-32) Ld Zđ = Pm/γ (2-33) c) Khi vị trí công trình ở trên bờ sau đ−ờng mép n−ớc, trong phạm vi sóng leo (hình 2-13,c): lm Pb = 0.7(1 - ).Pđ (2-34) Ll Zđ = Pb/γ (2-35) Trong đó: Zđ- độ v−ợt cao của đỉnh sóng trên mực n−ớc tính toán ở mặt cắt t−ờng chắn sóng (m). lđ- Khoảng cách từ mặt cắt sóng đổ lần cuối cùng tới công trình (m). Lđ- Khoảng cách từ mặt cắt sóng đổ lần cuối cùng tới mép n−ớc (m). Lm- Khoảng cách từ mép n−ớc tới công trình (m). Ll- Khoảng cách từ mép n−ớc tới đ−ờng giới hạn của sóng vỡ leo lên bờ khi không có công trình (m). Ll = Hsl1% .m (2-36) Hsl1% .Chiều cao sóng leo với mức đảm bảo 1% (m) Nếu khoảng cách từ đỉnh công trình tới mực n−ớc tính toán Z1 < 0.3Hs thì các trị số áp lực sóng xác định theo công thức (2-30), (2-32), (2-34) phải đ−ợc nhân với hệ số Kg lấy theo bảng 2-15. Bảng 2-15: Hệ số Kg Khoảng cách từ đỉnh công trình tới +0.3Hs 0 -0.3Hs -0.65Hs mực n−ớc tính toán Z1 (m) Hệ số Kg 0.95 0.85 0.80 0.50 44
45.  Hình 2-13: Các biểu đồ áp lực sónglên t−ờng chắn sóng thẳng đứng 3. T−ờng đứng liền bờ: Tải trọng lên t−ờng khi sóng rút có sơ đồ nh− hình 2-14. C−ờng độ áp lực pr xác định theo công thức: pr = γ(0.75h + Zr) (2-37) Trong đó: Zr - độ hạ thấp của mặt n−ớc kể từ mực n−ớc tính toán ở tr−ớc đ−ờng thẳng đứng khi sóng rút đ−ợc lấy nh− sau: - Khi ở tr−ớc t−ờng có bãi với chiều rộng ≥ 3Hs: Zr = 0. - Khi chiều rộng bãi < 3Hs: Zr = 0.25Hs Hình 2-14: Biểu đồ áp lực sóng lên t−ờng đứng liền bờ khi sóng rút 45
46.  4. T−ờng có mặt cong (hình 2-15) C−ờng độ áp lực sóng do sóng vỡ lên đoạn cong của t−ờng chắn sóng đ−ợc xác định theo công thức: 2 pc = 0.5p(1+cos βc) (2-38) Trong đó: p: C−ờng độ áp lực sóng lên t−ờng chắn thẳng đứng, xác định theo mục 2 (t−ờng chắn xa bờ) ở trên. βc- Góc giữa đ−ờng thẳng đứng và tiếp tuyến với đoạn cong của t−ờng chắn sóng. Hình 2-15: Biểu đồ áp lực sóng lên t−ờng chắn mặt cong. 5. Đê mỏ hàn (hình 2-16): C−ờng độ áp lực p có xét tới góc của sóng tới gần công trình αb xác định theo công thức: 3 p = k γ H (1+cos2α ) (2-39) 4 n s b Trong đó: kn là hệ số, lấy theo bảng 2-16 46
47.  Hình 2-16: Biểu đồ áp lực sóng lên đê mỏ hàn a) Mặt bằng bố trí đê; b) Mặt cắt ngang đê. s- Chiều dài của một phần tử đê a- Chiều rộng đê Bảng 2-16: Hệ số áp lực sóng kn trong công thức (2-39) Trị số kn khi s/ Ls bằng Mặt chịu áp Trị số a.cotg αb (m) ≤ 0.03 0.05 0.10 ≥ 0.2 Mặt ngoài - 1 0.75 0.65 0.60 0 0.7 0.65 0.60 0.55 0.5 0.45 0.45 0.45 0.45 Mặt khuất 1.2 0.18 0.22 0.30 0.35 2.5 0 0 0 0 ♣2-7. Tính toán chiều cao n−ớc dâng do gió Gió thổi liên tục theo một h−ớng không những gây ra sóng trên mặt n−ớc mà còn có tác dụng dồn n−ớc theo h−ớng gió, làm cho đ−ờng trung tâm sóng bị dâng cao lên so với mực n−ớc tĩnh một đoạn Hd (hình 2-1) Trị số Hd phụ thuộc vào vận tốc gió, đà sóng và h−ớng truyền sóng. Khi xác định Hd cần phân biệt 2 tr−ờng hợp: 47
48.  I. Đối với hồ chứa và sông xa biển: (không chịu ảnh h−ởng của n−ớc dâng từ biển), tính theo công thức: K .W2 .D H = w cos β (2-40) d 2gh Trong đó: Hd- Chiều cao n−ớc dâng ở điểm tính toán; W- Vận tốc gió thiết kế; (m/s); D- Đà sóng (m) h- Độ sâu trung bình của vùng n−ớc tính toán (m) β- Góc giữa h−ớng gió thổi và ph−ơng pháp tuyến với trục tâm đê. Kw- Hệ số ma sát tổng hợp, tham khảo bảng 2-17 Bảng 2-17: Trị số tham khảo của Kw. 6 STT Nguồn tài liệu Kw.10 Ghi chú 1 Sổ tay bảo vệ bờ biển (Mỹ) 3.34 2 Hà Lan 3.56 3 Tiêu chuẩn N.O.B. ( Bộ nội vụ Mỹ) 4.04 4 Trung Quốc 3.60 5 Liên Xô cũ (CHuΠ II.06.04.82) 4.2 w = 20m/s 6.0 w = 30 m/s 6 Việt Nam (QPTL-C1-78) 4.0 II- Đối với vùng cửa sông ven biển: 1. Khi dùng số liệu thực đo mực n−ớc triều để phân tích tần suất, nếu trong mực n−ớc triều đã bao gồm cả thành phần n−ớc dâng thì không cần tính toán đại l−ợng này nữa. 2. Để làm tài liệu nghiên cứu, có thể tham khảo tài liệu phân tích tần suất n−ớc dâng ở các vùng khác nhau của bờ biển n−ớc ta nh− bảng 2-18 (đối với vùng bờ biển bắc vĩ tuyến 16). 48
49.  Bảng 2-18: Tần suất mực n−ớc dâng ở vùng biển Bắc vĩ tuyến 16 Tần suất % ứng với chiều cao n−ớc dâng (m) Vĩ tuyến Đoạn bờ 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 > 2.5 > 21o N Phía Bắc Cửa Ông 50 38 5 6 2 0 21o N-20o N Cửa Ông - Cửa Đáy 35 38 17 8 3 0 20o N-19o N Cửa Đáy- Cửa Vạn 41 34 15 9 1 1 19o N-18o N Cửa Vạn- Đèo Ngang 46 37 10 5 2 1 18o N-17o N Đèo Ngang- Cửa Tùng 71 19 8 2 1 0 17o N-16o N Cửa Tùng- Đà Nẵng 95 4 1 0 0 0 49
50.  Ch−ơng III Thiết kế đê ♣3-1. Cấp của công trình đê và tiêu chuẩn thiết kế. I- Cấp của đê: 1. Căn cứ vào dân số và diện tích vùng đ−ợc bảo vệ, đê sông và đê biển đ−ợc chia thành 5 cấp theo bảng 3-1 Bảng 3-1: Cấp của công trình đê Vùng Cấp Cấp đ−ợc đê Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV bảo vệ Của đê sông đặc biệt - Mức độ quan Nội thành TP trực TP trực Thị xã, thị trọng Hà Nội thuộc TW thuộc tỉnh trấn Thành - Nhân khẩu phi 500ữ1.500 200ữ500 100ữ200 phố < 100 nông nghiệp (ngàn ng−ời) - Nhân khẩu trong vùng bảo vệ (ngàn 500ữ1.500 200ữ500 100ữ200 < 100 ng−ời) Nông thôn - Đất canh tác vùng bảo vệ (ngàn ≥ 100 20ữ100 4,0ữ20 < 4,0 ha) Cấp công trình Đặc biệt I II III IV của đê biển (trên cấp 1) Tính chất hoặc Vùng dân sinh Lớn hơn Từ 5.000 đến Từ 3.000 đến Nhỏ hơn diện tích đ−ợc - kinh tế đặc hoặc bằng d−ới 10.000 d−ới 5.000 3.000 đê bảo vệ (ha) biệt quan trọng 10.000 50
51.  2. Hai đoạn đê sông khác cấp nối liền nhau chỉ đ−ợc chênh nhau một cấp. 3. Căn cứ tầm quan trọng về dân sinh, kinh tế, chính trị - xã hội của vùng đ−ợc đê bảo vệ; độ ngập n−ớc sâu, mức độ thiệt hại, sự ảnh h−ởng đến môi tr−ờng sinh thái khi đê bị vỡ để xét nâng cấp hoặc hạ cấp của đê sau khi áp dụng bảng 3-1. Việc nâng cấp hoặc hạ cấp của đê so với quy định trong bảng 3-1 cần trình cơ quan có thẩm quyền phê duyệt. 4. Cấp của công trình thủy công, công trình dân dụng, quốc phòng giao cắt qua đê không đ−ợc thấp thua cấp của tuyến đê đó, hơn thế nữa, còn cần có một độ d− an toàn thích đáng. II- Tiêu chuẩn phòng lũ của công trình đê: Đê đ−ợc xây dựng để bảo vệ sự an toàn phòng lũ của đối t−ợng cần bảo vệ, bản thân đê không có yêu cầu phòng lũ riêng. Trong khi Nhà n−ớc ch−a ban hành tiêu chuẩn phòng lũ cho các đối t−ợng cần bảo vệ, tiêu chuẩn phòng lũ ứng với mỗi cấp của công trình đê đ−ợc quy định tạm thời trong bảng 3-2. Bảng 3-2: Tiêu chuẩn phòng lũ - cấp của công trình đê Cấp của công trình đê Cấp đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Tiêu chuẩn phòng lũ [thời kỳ ≥ 250 100 ữ 150 50 ữ 100 25 ữ 50 15 ữ 25 xuất hiện lại (năm)] III- Độ gia cao an toàn và hệ số an toàn ổn định của đê: 1. Độ gia cao an toàn của đê: Đ−ợc quy định t−ơng ứng với cấp của công trình đê trong bảng 3-3 (các trị số nêu trong bảng này không bao gồm gia cao phòng lún thi công, chiều cao sóng leo và chiều cao n−ớc dềnh, độ cao dự phòng do lòng sông bị bồi). Độ gia cao an toàn của đoạn đê có điều kiện đặc biệt cần có độ gia cao lớn hơn mức bình th−ờng, thông qua việc luận chứng, có thề tăng lên thích đáng nh−ng không đ−ợc lớn hơn 1,50 m. Bảng 3-3: Độ gia cao an toàn của công trình đê không cho phép sóng v−ợt hoặc n−ớc tràn qua. Cấp của công trình đê Cấp đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Độ gia cao an toàn (m) 1,00 0,80 0,70 0,60 0,50 51
52.  2. Gradien thấm cho phép của đê: a) Gradien thám cho phép của đất nền [J]dn : Đ−ợc quy định ở bảng 3-4 Bảng 3-4: Gradien thấm cho phép của đất nền Cấp đê Cấp đặc biệt và Cấp II và cấp Cấp IV Ghi chú Loại đất cấp I III Đất sét chặt 0,70 0,90 1,10 Cát to, sỏi 0,35 0,45 0,54 Theo Π-12-73 “Chỉ dẫn tính toán độ á sét 0,32 0,40 0,50 bền thấm của đập Cát hạt trung 0,22 0,28 0,25 đất“ Cát hạt nhỏ 0,18 0,22 0,26 b) Gradien thấm cho phép trong thân đê thi công bằng ph−ơng pháp đầm nén: Đ−ợc quy định ở bảng 3-5. Bảng 3-5: Gradien thấm cho phép của thân đê Cấp đê Cấp đặc biệt và Cấp II và cấp Cấp IV Ghi chú Loại đất cấp I III Sét và bê tông sét 1,00 1,20 1,30 Do kỹ thuật đắp á sét 0,70 0,85 0,90 kém hơn đập đất nên chọn trị số thấp Cát hạt trung 0,50 0,60 0,65 hơn so với Π 12-73 á sét 0,40 0,50 0,55 và QP thiết kế đê Trung Quốc 1998 Các hạt nhỏ 0,35 0,45 0,50 c) Gradien thấm cho phép của t−ờng tâm, t−ờng nghiêng, sân phủ th−ợng l−u bằng đất có tính dính quy định nh− sau : - Bằng đất á sét [J] = 4,00 - Bằng đất sét [J] = 6,00 3. Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của đê đất: Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của đê đất cần lấy bằng hoặc lớn hơn trị số trong bảng 3-6, nh−ng không đ−ợc v−ợt quá 15%. 52
53.  Bảng 3-6: Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của đê đất. Cấp của công trình đê sông Cấp đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Điều kiện sử dụng bình 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 Hệ th−ờng số an Điều kiện sử dụng bất toàn 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 th−ờng Cấp công trình đê biển Cấp đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Điều kiện sử dụng bình 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 Hệ th−ờng số an Điều kiện sử dụng bất toàn 1,20 1,15 1,10 1,05 1,05 th−ờng 4. Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của t−ờng phòng lũ: Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của t−ờng phòng lũ không đ−ợc nhỏ hơn quy định ở bảng 3-7. Bảng 3-7: Hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt của t−ờng phòng lũ Tính chất nền Nền đá Nền đất Cấp của công trình Đặc Cấp Cấp Cấp Cấp Đặc Cấp Cấp Cấp Cấp đê sông biệt I II III IV biệt I II III IV Hệ số Điều kiện an sử dụng 1,20 1,15 1,10 1,05 1,05 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 toàn bình th−ờng điều kiện sử dụng bất 1,10 1,05 1,05 1,00 1,00 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 th−ờng Đặc Cấp Cấp Cấp Cấp Đặc Cấp Cấp Cấp Cấp Công trình đề biển biệt I II III IV biệt I II III IV Điều kiện sử dụng 1,15 1,10 1,05 1,05 1,00 1,5 1,30 1,25 1,20 1,15 Hệ sô bình th−ờng an toàn điều kiện sử dụng bất 1,05 1,05 1,00 1,00 1,00 1,20 1,15 1,10 1,05 1,05 th−ờng 53
54.  5. Hệ số an toàn ổn định chống lật của t−ờng phòng lũ: Hệ số an toàn ổn định chống lật của t−ờng phòng lũ không đ−ợc nhỏ hơn quy định ở bảng 3-8. Bảng 3-8: Hệ số an toàn ổn định chống lật của t−ờng phòng lũ. Cấp của công trình đê sông Cấp đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Điều kiện sử dụng bình 1,65 1,60 1,55 1,50 1,45 Hệ th−ờng số an Điều kiện sử dụng bất toàn 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 th−ờng Cấp công trình đê biển Điều kiện sử dụng bình 1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 Hệ th−ờng số an Điều kiện sử dụng bất toàn 1,50 1,45 1,40 1,45 1,30 th−ờng ♣3-2. Tài liệu cơ bản dùng để thiết kế đê Tài liệu cơ bản dùng cho thiết kế đê quy định nh− sau. I- Khí t−ợng, thủy văn: 1. Khí t−ợng: Tùy theo yêu cầu thiết kế xây dựng đê mới hoặc cải tạo, gia cố đê cũ, cần thu thập các tài liệu thống kê nhiều năm về : nhiệt độ không khí, gió, m−a, độ ẩm, bốc hơi. 2. Thủy văn: a) Tài liệu địa hình về quá trình diễn biến lòng sông, bờ, bãi. b) Tài liệu thống kê nhiều năm về mực n−ớc, l−u l−ợng, bùn cát. c) Đ−ờng quá trình mực n−ớc, đ−ờng quá trình l−u l−ợng của các năm điển hình và của lũ thiết kế. d) Tài liệu về quá trình thay đổi h−ớng chảy dòng chủ l−u mùa lũ và mùa kiệt. e) Tài liệu thống kê nhiều năm về bùn cát. g) Tài liệu về thủy triều và sóng (đối với đê cửa sông, đê biển). 54
55.  II- Kinh tế - xã hội: 1. Tài liệu khái quát về kinh tế - x∙ hội của vùng đ−ợc bảo vệ: a) Tổng diện tích đ−ợc đê bảo vệ; diện tích đất canh tác; số thành phố, thị xã, thị trấn. b) Tổng nhân khẩu sống trong vùng đê bảo vệ. c) Khái quát về kinh tế của vùng đ−ợc đê bảo vệ : Giá trị sản l−ợng nông nghiệp, công nghiệp; số l−ợng và quy mô các nhà máy, xí nghiệp, hầm mỏ; hệ thống giao thông (đ−ờng bộ, đ−ờng sắt, hàng không, cảng); nguồn năng l−ợng, thông tin liên lạc v.v 2. Tình hình môi tr−ờng sinh thái của vùng đ−ợc đê bảo vệ. 3. Tình hình thiên tai đ∙ từng xảy ra trong khu vực. 4. Tình hình dân sinh, kinh tế trong phạm vi bảo vệ đê: a) Nhà cửa của dân và các công trình công cộng. b) Số hộ, nhân khẩu. c) Cây cối, lúa, hoa màu. III- Địa hình công trình: 1. Tài liệu đo đạc địa hình trong các giai đoạn thiết kế khác nhau của công trình đê cần phù hợp với quy định trong bảng 3-9: Bảng 3-9: Yêu cầu đo vẽ của các giai đoạn thiết kế công trình đê Giai đoạn công Loại Phạm vi đo vẽ & tác hoặc giai Tỷ lệ Ghi chú khoảng cách các mặt cắt bản vẽ đoạn thiết kế 1/10.000 đến Chọn tuyến - - 1/50.000 Nếu nền đê là nền cát, phần trong Bản đồ 1/1.000 địa hình Từ đ−ờng tim đê trải đồng nên đo rộng hơn. Nếu phía Định tuyến đến rộng sang hai phía, mỗi sông là bãi có tính xâm thực thì cần phía 100 - 300m đo mở rộng tới đ−ờng lạch sâu hoặc 1/10.000 ngang tuyến xâm thực. Chiếu đứng 1/100~1/200 Bản vẽ Khi chiều dài tuyến đê v−ợt quá Thiết kế kỹ mặt cắt Chiếu ngang - 100km, tỷ lệ chiều ngang có thể thuật dọc 1/10.000 ~ dùng 1:50.000 hoặc 1:100.000 1/50.000 Cứ cách 50-200m một Bản vẽ Thiết kế kỹ Đứng: 1/100 mặt cắt, chiều rộng đo ở đoạn đê cong, khoảng cách các mặt cắt thuật từ tim đê sang hai phía, mặt cắt nên rút ngắn. ngang Ngang: 1/200-1/500 mỗi phía 50 - 100m. 55
56.  2. Đối với đê xây dựng mới, ngoài các bản vẽ mặt cắt ngang còn cần có bản vẽ cắt dọc tuyến tim đê; công trình đê cũ, khi thiết kế tôn cao, áp trúc, đắp cơ cần đồng thời có bản vẽ cắt dọc đỉnh đê, tuyến chân đê phía trong và phía ngoài, mặt cắt ngang đê phải đo vẽ tối thiểu đến hết phạm vi bảo vệ đê cả phía sông và phía đồng, nơi có ao, hồ ven đê, phạm vi đo vẽ không đ−ợc nhỏ hơn 100m - 200m. IV- Địa chất công trình: 1. Đối với việc thiết kế mới công trình đê cấp 3 trở lên, các tài liệu về địa chất công trình cần phù hợp với quy định : a) Mặt cắt dọc địa chất nền đê : Một mặt cắt giữa tim đê, một mặt cắt dọc chân đê phía sông, một mặt cắt dọc chân đê phía đồng. b) Mặt cắt ngang địa chất nền đê : Trong giai đoạn lập dự án, bình quân cứ 200m lập một mặt cắt ngang địa chất; trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật bình quân cứ 100m lập một mặt cắt ngang. Nếu điều kiện địa chất nền phức tạp có thể bổ sung thích đáng sau khi đã thăm dò bằng ph−ơng pháp địa vật lý hoặc xuyên tĩnh. Khi xác định vị trí khảo sát mặt cắt ngang cần kết hợp với các hố khoan của mặt cắt dọc để giảm thiểu khối l−ợng khoan khảo sát. c) Độ sâu hố khoan : Từ 10 - 15m kể từ mặt đất tự nhiên. Độ sâu nói trên có thể thay đổi tùy theo đặc điểm địa chất nền khu vực và yêu cầu về tính toán ổn định thấm, ổn định chống tr−ợt hoặc tính lún đ−ợc thể hiện trong Đề c−ơng đ−ợc duyệt. d) Số l−ợng mẫu và chỉ tiêu cơ lý cần thí nghiệm, thực hiện theo quy trình hiện hành về khảo sát địa chất nền của loại đập đất có chiều cao ≤ 10m. e) Các tài liệu về hình trụ hố khoan, các bản vẽ mặt cắt dọc, mặt cắt ngang, bảng tổng hợp các chỉ tiêu cơ, lý, báo cáo thuyết minh địa chất công trình và địa chất thủy văn thực hiện theo Quy phạm hiện hành về khảo sát địa chất công trình thủy lợi. g) Tài liệu khảo sát địa chất bãi vật liệu khai thác đất đắp đê, thực hiện theo quy định hiện hành đối với việc khảo sát bãi vật liệu phục vụ xây dựng công trình thủy lợi. Đối với công trình đê d−ới cấp 3, tài liệu địa chất công trình và bãi vật liệu đắp đê có thể đơn giản hoá thích đáng. Khi có điều kiện, cũng có thể dùng các tài liệu t−ơng quan của công trình ở vùng lân cận. 2. Việc thiết kế gia cố, tôn cao, áp trúc, mở rộng mặt đê, đắp cơ, đắp tầng phản áp chống mạch đùn, mạch sủi cần tận dụng các tài liệu địa chất công trình trong quá trình xây dựng, tu bổ đê điều tr−ớc đây, kể cả tài liệu điều tra khi đê vỡ, vật liệu hàn khẩu, tài liệu khảo sát xây dựng cống, trạm bơm hoặc các công trình khác xây dựng trong phạm vi bảo vệ đê. Đối chiếu với yêu cầu thiết kế về tính toán ổn định thấm, ổn định chống tr−ợt, tính lún; 56
57.  chất l−ợng, khối l−ợng đất có thể khai thác đ−ợc để đắp đê, nếu tài liệu đã có còn thiếu hoặc ch−a đủ độ tin cậy thì phải khảo sát bổ sung theo các quy định t−ơng ứng ở trên. 3. Tài liệu địa chất và ph−ơng pháp khảo sát phục vụ thiết kế khoan phụt vữa gia cố đê: thực hiện theo Quy trình khoan phụt vữa gia cố đê 14TCN-1-85. ♣3-3. Tuyến và hình thức kết cấu I- Tuyến đê: 1. Các căn cứ lựa chọn tuyến đê: Việc thiết kế ph−ơng án chọn tuyến đê xây dựng mới hoặc cải tạo tuyến đê cũ cần căn cứ vào các yêú tố : Quy hoạch phòng lũ, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội của vùng cần đ−ợc bảo vệ, điều kiện địa hình, địa chất, xu h−ớng biến đổi của tuyến sông, các công trình hiện có cần phải di dời và công trình dự kiến xây dựng trong t−ơng lai, diện tích đất cần phải thu hồi để xây dựng hoặc cải tạo tuyến đê, việc bảo vệ các di tích lịch sử - văn hoá, sự phân định ranh giới hành chính v.v , trên nguyên tắc sử dụng tổng hợp thông qua so sánh kinh tế - kỹ thuật các ph−ơng án để lựa chọn. 2. Các nguyên tắc bố trí tuyến đê: a) Tuyến đê cần bố trí phù hợp với h−ớng chảy của thế sông và song song với tuyến chủ l−u của dòng chảy khi sông có lũ lớn. Khoảng cách giữa tuyến đê của hai bờ của một đoạn sông, hoặc khoảng cách giữa bờ, bãi cao bên này đến đê của bờ bên kia về đại thể cần bằng nhau, không nên đột nhiên rộng ra hoặc hẹp lại. b) Tuyến đê cần trơn tru, các đoạn đê cần nối với nhau thành đ−ờng trơn không đ−ợc để gẫy khúc uốn cong gấp. c) Cần tận dụng tuyến đê sẵn có và địa hình thuận lợi, đắp đê trên bãi sông t−ơng đối ổn định, có điều kiện địa chất t−ơng đối tốt, nên chừa lại bãi sông đủ rộng, hết sức tránh vùng nền đất mềm yếu hoặc nền đất thấm n−ớc mạnh, vùng đất ngập n−ớc sâu, lòng sông cổ, vùng có hố xói do vỡ đê tạo thành. d) Tuyến đê cần bố trí sao cho chiếm ít đất canh tác, di dời ít nhà cửa và công trình, tránh các di tích lịch sử, văn hoá, thuận lợi cho việc hộ đê phòng lũ và quản lý công trình. e) Việc bố trí tuyến đê cửa sông giáp biển phải chú ý thích đáng yêu cầu thoát lũ nhanh, đồng thời tránh đ−ợc sự tác động chính diện của h−ớng gió, bão thịnh hành và sóng; Đối với đê cửa sông ở nơi sông nhánh chảy vào sông chính hoặc sông chính chảy vào sông nhánh cần bố trí tuyến đê cong trơn, xuôi thuận để giữ cho cửa sông đ−ợc ổn định lâu dài, đồng thời không để cho dòng chảy uy hiếp an toàn đoạn đê phía hạ l−u cửa sông. 57
58.  3. Khoảng cách giữa 2 tuyến đê sông: a) Việc tính toán khoảng cách giữa 2 tuyến đê của một đoạn sông khi xây dựng tuyến đê mới cần căn cứ vào quy hoạch phòng lũ của l−u vực để phân đoạn sông mà xác định, đồng thời cần xem xét, phân tích toàn diện th−ợng, hạ l−u, bờ phải, bờ trái. b) Khoảng cách giữa 2 tuyến đê sông còn cần căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất lòng sông, bờ sông, đặc điểm về thủy triều (nếu có), bùn cát, quy luật, bồi xói và diễn biến lòng sông, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật ứng với các khoảng cách đê khác nhau, thông qua việc phân tích các yếu tố tự nhiên, xã hội có liên quan mà xác định. c) Khi xác định khoảng cách 2 tuyến đê sông, tùy theo mức độ hạn chế của dãy số liệu thủy văn hiện có, ảnh h−ởng của sự chậm lũ, tác dụng bồi lắng lâu dài ở vùng bãi sông hoặc xói lòng sông, quy hoạch xây dựng các cầu qua sông hoặc yêu cầu về bảo vệ môi tr−ờng sinh thái mà dự phòng thêm một khoảng d− cần thiết. d) Đối với đoạn sông bị thắt hẹp cục bộ do ảnh h−ởng của mỏm núi, mỏm bãi sông có điều kiện địa chất rắn chắc hoặc của các công trình, nhà cửa, vật kiến trúc khác, năng lực thoát lũ kém rõ rệt so với đoạn sông ở th−ợng, hạ l−u thì cần có biện pháp mở rộng khoảng cách đê hoặc dỡ bỏ ch−ớng ngại vật, di dời nhà cửa và tổ chức tái định c− cho nhân dân ra khỏi vùng cản lũ. II. Chọn loại hình kết cấu đê: 1. Việc lựa chọn loại hình kết cấu của đê cần thông qua phân tích, so sánh kinh tế, kỹ thuật, dựa trên nguyên tắc: phù hợp với tình hình thực tế, sử dụng vật liệu địa ph−ơng, đồng thời căn cứ vào vị trí, tầm quan trọng của đoạn đê, đặc điểm địa chất nền đê, vật liệu xây dựng đê, đặc điểm dòng chảy, điều kiện thi công, giá thành công trình, yêu cầu sử dụng, quản lý và cứu hộ đê, môi tr−ờng cảnh quan v.v 2. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật và khả năng về vật liệu làm đê, có thể lựa chọn các loại kết cấu : đê đất, t−ờng phòng lũ bằng bê tông cốt thép, t−ờng phòng sóng bằng đá xây hoặc đê có kết cấu vật liệu hỗn hợp tùy theo từng đoạn, từng bộ phận của đê. 3. Hình thức kết cấu mặt cắt đê, có thể chọn đê kiểu mái dốc, đê kiểu t−ờng thẳng đứng hoặc kiểu phức hợp thẳng đứng và mái dốc. 4. Theo hình thức thiết kế bộ phận phòng thấm, có thể chọn đê đất đồng chất, đê đất có t−ờng tâm hoặc t−ờng nghiêng chống thấm. 5. Các đoạn đê trên cùng một tuyến, có điều kiện khác biệt nhau, có thể chọn dùng các loại hình đê khác nhau. ở chỗ thay đổi loại hình kết cấu mặt cắt đê, cần xử lý tốt chỗ nối tiếp và nên làm đoạn chuyển tiếp. 58
59.  ♣3-4. Thiết kế mặt cắt đê I. Quy định chung: 1. Kết cấu thân đê cần đáp ứng tiêu chuẩn ổn định chống tr−ợt và ổn định thấm, không bị biến dạng, tận dụng đ−ợc vật liệu tại chỗ, dễ thi công, giá thành hạ, đồng thời tạo đ−ợc thuận lợi trong quản lý và cứu hộ đê. 2. Thiết kế thân đê đất bao gồm việc xác định mặt cắt thân đê, tiêu chuẩn đắp đất, cao trình đỉnh đê, kết cấu đỉnh đê, mái đê và cơ đê, bảo vệ mái và tiêu n−ớc mái dốc, biện pháp chống chấm, tiêu n−ớc thân đê và nền đê. Việc thiết kế t−ờng phòng lũ bao gồm các nội dung : xác định hình thức kết cấu thân t−ờng, kích th−ớc đ−ờng viền móng, cao trình đỉnh t−ờng và các giải pháp phòng thấm, tiêu n−ớc. 3. Dựa vào điều kiện địa hình, địa chất nền, chiều cao thân đê để chia tuyến đê thành các đoạn có các điều kiện t−ơng tự. Mỗi đoạn có các điều kiện t−ơng tự xác định một mặt cắt thiết kế đại diện. Kết cấu, kích th−ớc của các bộ phận thân đê đ−ợc xác định sau khi tính toán ổn định và so sánh kinh tế - kỹ thuật. 4. Những vùng có đặc điểm địa hình, địa chất đặc biệt khác với mặt cắt đại diện, cần lựa chọn giải pháp thiết kế phù hợp cả về hình dạng mặt cắt, vật liệu đắp đê và ph−ơng pháp thi công để bảo đảm an toàn. II. Cao trình đỉnh đê: 1. Cao trình đỉnh đê đ−ợc xác định theo các công thức : CTĐĐ = MNBT + Δh + Hsl + a CTĐĐ = MNTK + Δh' + H'sl + a' Trong đó : - CTĐĐ là cao trình đỉnh đê, tính bằng m. - MNBT là mực n−ớc bình quân max. - MNTK là mực n−ớc lũ thiết kế của đê ứng với tần suất lũ thiết kế t−ơng ứng với cấp của đê hay mực n−ớc tính toán đối với đê biển, - a và a' là độ gia cao an toàn của đê. - Δh và Δh' là chiều cao n−ớc dềnh do gió gây nên, tính bằng m, hay chiều cao n−ớc dâng đối với đê biển. - Hsl và H'sl là chiều cao sóng leo, tính bằng m. Trị số Δh' và H'sl đ−ợc tính với vận tốc gió bình quân lớn nhất nhiều năm không kể h−ớng V 10max (m/s), tính ở độ cao cách mặt đất bình quân khu vực 10m. 59
60.  Trị số Δh và Hsl đ−ợc tính với vận tốc gió lớn nhất ứng với tần suất thiết kế p, phụ thuộc cấp của công trình đê nh− sau: + Cấp đặc biệt : p = 1% + Cấp I và cấp II : p = 2% + Cấp III và cấp IV : p = 4% Trị số của Δh, Δh', Hsl, H'sl đ−ợc xác định theo quy phạm hiện hành hoặc xem ch−ơng 2 2. Khi đê có xây t−ờng chắn sóng, cao trình đỉnh t−ờng đ−ợc tính toán nh− cao trình đỉnh đê đất ở Mục 1. Cao trình mặt đê đất ở phía sau l−ng t−ờng nhất thiết phải cao hơn cao trình mực n−ớc tĩnh thiết kế 0,50m trở lên. 3. Đê đất cần phải dự trữ độ lún. Tùy theo điều kiện địa chất nền đê, chất đất thân đê và độ chặt đắp đất, có thể lấy độ lún dự phòng khi thi công đê bằng 3% đến 8% chiều cao thân đê là thích hợp. Khi gặp một trong những tr−ờng hợp sau, độ lún cần tính toán theo quy định ở mục 3-7. a. Chiều cao đê lớn hơn 10m. b. Nền đê là lớp đất mềm yếu. c. Điều kiện thi công khó bảo đảm độ chặt đầm nén thiết kế. d. Đê đắp bằng đất −ớt không thể đầm nén đ−ợc. III. Kết cấu đỉnh đê: 1. Chiều rộng đỉnh đê, ngoài việc thoả mãn yêu cầu đảm bảo ổn định chung và ổn định thấm, khi xác định chiều rộng đỉnh đê cần xét đến yêu cầu thi công, yêu cầu xử lý cấp cứu hộ đê, kể cả tr−ờng hợp lũ v−ợt lũ thiết kế, yêu cầu kết hợp giao thông trên đỉnh đê và các yêu cầu khác để xem xét, quyết định. Trong điều kiện bình th−ờng, chiều rộng đỉnh đê đ−ợc quy định ở bảng 3-10. Tr−ờng hợp đặc biệt, khi có luận chứng thoả đáng có thể đ−ợc phép tăng hoặc giảm chiều rộng đỉnh đê trên toàn tuyến hoặc từng đoạn, nh−ng phải đ−ợc cấp có thẩm quyền chấp thuận. Bảng 3-10: Chiều rộng đỉnh đê (m) Cấp đê Đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Cấp IV Chiều rộng đỉnh đê (m) 8 6 ữ 8 6 5 3,5 2. Khi kết hợp sử dụng đỉnh đê làm đ−ờng giao thông công cộng, cần bố trí mặt bằng đỉnh đê, các đoạn chuyển tiếp giữa đê với các tuyến bên ngoài, kết cấu mặt đ−ờng, gia cố nền đê, thân đê v.v phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế đ−ờng hiện hành, đồng thời phải 60
61.  có biển quy định rõ tải trọng giới hạn của xe cơ giới đ−ợc phép đi trên đê để không gây mất ổn định cho đê, cống d−ới đê hoặc biến dạng v−ợt quy định cho phép. 3. Căn cứ ph−ơng án hộ đê, quy trình duy tu bảo d−ỡng định kỳ để bố trí nối kết đỉnh đê với cơ đê, với các tuyến đ−ờng giao thông trong khu vực, đ−ờng đi đến các bãi vật liệu dự phòng, đồng thời cần bố trí chỗ quay xe, đ−ờng tránh cho các ph−ơng tiện vận chuyển tránh nhau, quay đầu xe thuận lợi, an toàn. 4. Trong điều kiện bình th−ờng, khi đê không kết hợp sử dụng giao thông cơ giới th−ờng xuyên, đỉnh đê cần làm dốc để thoát n−ớc mặt. - Những đê có bề rộng đỉnh ≤ 3,5m nên làm dốc thoát n−ớc về phía mái hạ l−u. - Những đê có bề rộng > 3,5m có thể làm dốc thoát n−ớc về cả 2 phía. Độ dốc th−ờng lấy từ 2 - 3%. Những đê kết hợp làm tuyến giao thông cơ giới, cấu tạo mặt đ−ờng, độ dốc ngang và dọc cần tuân thủ theo tiêu chuẩn thiết kế của loại đ−ờng này. IV. Mái đê và cơ đê: 1. Mái đê: Căn cứ cấu tạo địa chất nền đê, địa hình hai bên chân đê, cấp của công trình đê, chiều cao đê, kết cấu mặt cắt ngang đê, tính chất cơ, lý của đất đắp đê, ph−ơng pháp thi công, tình hình sóng gió và biện pháp bảo vệ mái, thông qua tính toán ổn định mái dốc, lựa chọn độ dốc mái đê phù hợp với quy định về hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt ở bảng 3-6. Trong điều kiện bình th−ờng, mái của đê đất cấp đặc biệt không nên dốc hơn 1/4; của đê cấp I, II, III không dốc hơn 1/3. 2. Cơ đê: a) Mái đê phía đồng của những tuyến đê có chiều cao trên 6m nên bố trí cơ để tăng hệ số an toàn ổn định chống tr−ợt và khống chế không cho điểm ra của đ−ờng bão hòa thoát ra mái đê, thi công thuận lợi và kết hợp làm đ−ờng hộ đê. Bề rộng cơ không nên lấy nhỏ hơn 3m. Cao trình đỉnh cơ th−ờng thấp d−ới đỉnh đê 2 - 3m. Những nơi không sử dụng cơ đê làm đ−ờng giao thông có thể kết hợp sử dụng làm nơi dự trữ vật liệu hộ đê. b) Cơ trên mái phía sông chỉ bố trí trong tr−ờng hợp thật cần thiết : Đê ở vùng cửa sông có mặt n−ớc rộng, sóng lớn có thể làm thềm triệt tiêu sóng trên mái. Chiều rộng thềm lấy bằng 1 - 2 lần chiều cao sóng nh−ng không nhỏ hơn 3m. Cao trình mặt thềm có thể lấy bằng hoặc thấp hơn mực n−ớc lớn nhất thiết kế. Những đê bảo vệ các vùng quan trọng, cao trình và kích th−ớc thềm triệt tiêu sóng cần xác định bằng thí nghiệm mô hình. V- Bảo vệ mái đê và tiêu n−ớc mái dốc: 1. Thiết kế bảo vệ mái và lớp đệm, lọc d−ới mái cần phù hợp với tiêu chuẩn ngành 14TCN84-91 “Quy trình thiết kế công trình bảo vệ bờ”, Quy phạm QPTL-C5-75 “Quy 61
62.  phạm thiết kế tầng lọc ng−ợc công trình thủy công” và các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành khác. Tính toán ổn định kè lát mái trực tiếp bảo vệ mái đê có thể tham khảo tiết 4-7. - Giải pháp bảo vệ mái phía sông tùy thuộc vào tác động của sóng do gió, do ph−ơng tiện vận tải thủy gây ra, vận tốc dòng chảy ven chân dê trong mùa lũ để lựa chọn giải pháp bảo vệ bằng bê tông tấm liên kết mềm, đá xây, đá lát, đá đổ. Những đoạn đê sông có hàng cây chống sóng, nơi có mái phía sông có chiều cao không lớn, không th−ờng xuyên bị ngập n−ớc hoặc những nơi có bãi rộng, cao trình mặt bãi cao làm giảm đáng kể tác động của sóng chỉ cần bảo vệ bằng thảm cỏ. - Mái phía đồng th−ờng chỉ bị xói mòn do m−a, nên chỉ cần bảo vệ bằng thảm cỏ. 2. D−ới lớp bảo vệ cứng, cần thiết phải bố trí tầng lọc kết hợp lớp chuyển tiếp. ở chân đê, chân cơ cần bố trí chân khay với chiều sâu không nhỏ hơn 50cm. Vùng tiếp giáp giữa lớp bảo vệ với đỉnh đê cần xây bó mép chắc chắn với bề rộng từ 0,1 - 1m. Mái bảo vệ bằng đá xây cần phân đoạn; bề mặt bố trí lỗ thoát n−ớc; vị trí tiếp giáp 2 đoạn cần bố trí khớp biến dạng. 3. Tiêu n−ớc mặt. Khi đê có chiều cao trên 6m, nên bố trí rãnh tiêu n−ớc dọc theo mép trong của cơ đê, chân mái đê để hứng n−ớc từ đỉnh và mái trên đổ xuống. Từ rãnh dọc này, với khoảng cách từ 50 - 100m bố trí các rãnh ngang dẫn n−ớc xuống chân mái d−ới. Rãnh tiêu n−ớc có thể làm bằng bê tông đúc sẵn, đá xây, gạch xây hoặc rãnh đất đầm nện kỹ sau đó ghép bằng các vầng cỏ khép kín. Kích th−ớc rãnh nên tham khảo các công trình đã xây dựng để quyết định. Khi mái đã đ−ợc bảo vệ bằng vật liệu cứng, hoặc mái cỏ có thể tồn tại quanh năm (không bị chết vào mùa khô hanh) thì việc làm rãnh tiêu n−ớc mặt cần đ−ợc cân nhắc để loại bỏ. VI- Bộ phận chống thấm và tiêu n−ớc cho đê và nền đê: 1. Để bảo đảm điều kiện ổn định thấm cho đê và nền đê, ngoài biện pháp thiết kế kết cấu mặt cắt hợp lý còn cần phải kết hợp các biện pháp chống thấm thích hợp. Phần lớn đê sông có chiều cao thấp (Hđê < 10m) nên th−ờng áp dụng các biện pháp chống thấm sau : a) T−ờng tâm : T−ờng này th−ờng bố trí d−ới đỉnh đê, cắm vào lớp đất nền có tính thấm yếu. b) T−ờng tâm + sân tr−ớc hoặc t−ờng nghiêng + sân tr−ớc. Khi nền đê có điều kiện địa chất phức tạp, có thể phải áp dụng các giải pháp khác mới đạt hiệu quả, cần thông qua luận chứng kinh tế - kỹ thuật quyết định. Vật liệu làm t−ờng tâm, t−ờng nghiêng sân phủ phải có hệ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của nền đê, thân đê ít nhất 100 lần và không đ−ợc lớn hơn 1x10-4cm/s. Kết cấu chống thấm cần bảo đảm đủ kích th−ớc để thoả mãn yêu cầu ổn định thấm, đặc biệt l−u ý điều kiện thấm tiếp xúc và tại các vị trí ra của dòng thấm. Đỉnh của kết cấu chống thấm cần cao hơn mực n−ớc thiết kế 0,5m. 62
63.  Trong tr−ờng hợp cần thiết, mặt sau của kết cấu chống thấm cần bố trí tầng chuyển tiếp để tránh vật liệu không thấm trôi vào khối đất đắp. 2. Tiêu n−ớc cho thân đê và nền đê chủ yếu dùng hình thức lọc ốp mái. Khi thật cần thiết có thể áp dụng hình thức tiêu n−ớc trong thân (lớp liên tục hoặc giải tiêu n−óc, hoặc kết hợp tiêu đứng và ngang trong thân đê v.v ). Khi d−ới nền có hiện t−ợng thấm có áp, có thể dùng giếng giảm áp để tiêu thoát tránh bục nền. Ngoài ra khi nền yếu, tính thoát n−ớc kém, có thể áp dụng giải pháp bấc thấm đứng, kết hợp với lớp tiêu liên tục trên mặt nền để tăng khả năng cố kết sớm của nền. 3. Khi dùng vải địa kỹ thuật, bấc thấm làm vật liệu tiêu n−ớc, lọc cần đảm bảo các yêu cầu về c−ờng độ, độ bền, tuổi thọ, tính thấm n−ớc thích hợp, cần có biện pháp bảo vệ vải thích đáng để chống lão hoá. VII- T−ờng chắn sóng: 1. T−ờng chắn sóng th−ờng áp dụng mang lại hiệu quả kinh tế- kỹ thuật khi tuyến đê đi qua khu vực có mặt bằng chật hẹp, hạn chế mở rộng mặt cắt hoặc vùng vật liệu đắp hiếm, thi công không thuận lợi. Chiều cao t−ờng (tính từ đỉnh đê đất đến đỉnh t−ờng) th−ờng nhỏ hơn hoặc bằng 1,20m. Chiều sâu chôn móng không nhỏ hơn 0,30m. Kết cấu t−ờng có thể là bê tông cốt thép, bê tông, đá xây, gạch xây. 2. T−ờng chắn sóng cần có kết cấu hợp lý, đảm bảo an toàn về tr−ợt, lật và đ−ờng viền thấm. Phần mái phía sông tiếp giáp t−ờng cần cấu tạo bằng đá xây hoặc bê tông bảo vệ chống xói chân t−ờng. 3. T−ờng chắn sóng cần bố trí khe biến dạng. Khoảng cách giữa 2 khe biến dáng nên lấy từ 15 - 20m cho t−ờng bê tông cốt thép và 10 - 15m cho các loại xây khác. Những vị trí có điều kiện địa hình, địa chất thay đổi nên bố trí thêm khe biến dạng để tránh h− hỏng. VIII- Vật liệu đắp đê và tiêu chuẩn đắp đê đất: 1. Các loại vật liệu nh− : đất, cát, sỏi cần đạt yêu cầu chất l−ợng, cấp phối quy định tại các tiêu chuẩn xây dựng hiện hành. Những đê đất thi công theo ph−ơng pháp đầm nén cần tuân thủ các quy định trong QPVN 11-77 “Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén”. Cát, sỏi làm lọc, làm tầng đệm chuyển tiếp phải có cấp phối thoả mãn QPTL-C5-75 “Quy phạm thiết kế tầng lọc ng−ợc công trình thủy công”. 2. Khi buộc phải sử dụng những loại đất không thuận lợi để đắp đê nh− đất có hàm l−ợng sét cao lại bão hòa n−ớc, đất cát hạt mịn, đất có tính tr−ơng nở và kém ổn định trong n−ớc, cần có biện pháp xử lý t−ơng ứng thông qua thí nghiệm trong phòng và thực nghiệm ở hiện tr−ờng. 3. Độ chặt của đất đắp thân đê bằng đất có tính dính theo ph−ơng pháp đầm nén, cần thoả mãn các tiêu chuẩn sau : 63
64.  a) Với đất có tính dính, không có thành phần hạt dăm sỏi (đ−ờng kính hạt d > 4,75 mm): - Đê cấp đặc biệt, đê cấp I: không đ−ợc nhỏ hơn 0,94 theo đầm Proctor tiêu chuẩn. - Đê cấp III có chiều cao d−ới 6m và đê d−ới cấp III không đ−ợc nhỏ hơn 0,90 theo đầm Proctor tiêu chuẩn. b) Với đất có tính dính, có lẫn thành phần hạt dăm sỏi cũng áp dụng tiêu chuẩn độ chặt nêu trên, nh−ng xác định theo kết quả đầm Proctor cải tiến. 4. Khi thân đê đắp bằng đất không có tính dính, chất l−ợng đắp thân đê cần xác định theo độ chặt t−ơng đối : - Đê cấp I, cấp II và đê cấp III có chiều cao trên 6m, độ chặt t−ơng đối không đ−ợc nhỏ hơn 0,65. - Đê cấp III có chiều cao d−ới 6m và đê d−ới cấp III, độ chặt t−ơng đối không đ−ợc nhỏ hơn 0,60. 5. Độ chặt thiết kế của thân đê đắp bằng các loại đất không thuận lợi nói ở điểm 2 đ−ợc quyết định cho từng tr−ờng hợp cụ thể trên cơ sở luận chứng kinh tế kỹ thuật. ♣3-5. Tính toán thấm I- Dòng thấm và tính toán ổn định thấm: 1. Yêu cầu của việc tính toán dòng thấm và ổn định thấm của đê: Tìm đ−ợc các yếu tố thủy lực trong tr−ờng thấm gồm : cột n−ớc áp lực, gradien, l−u l−ợng thấm , tiến hành phân tích ổn định thấm và chọn ph−ơng án thiết kế phòng thấm, tiêu n−ớc thấm hợp lý. a) Cần kiểm tra vị trí đ−ờng bão hòa trong thời gian duy trì lũ thiết kế xem đ−ờng bão hòa có xuất hiện ở mái đê phía đồng hay không. Khi có dòng thấm chảy ra ở mái đê cần tính gradien tại điểm ra của đ−ờng bão hòa, của đoạn n−ớc rỉ ra và mặt nền đê phía đồng. b) Khi hệ số thấm của thân đê, của đất nền đê có K ≥ 10-3cm/s, cần tính toán l−u l−ợng thấm, đánh giá ảnh h−ởng của l−u l−ợng thấm đối với an toàn đê. c) Cần tính toán mặt n−ớc tự do trong thân đê phía giáp n−ớc khi lũ rút nhanh. 2. Các tr−ờng hợp tính toán: a) Phía sông là mức n−ớc thiết kế, phía đồng là mức n−ớc t−ơng ứng. b) Phía sông là mức n−ớc lũ thiết kế, phía đồng là mức n−ớc thấp hoặc không có n−ớc. c) Phía sông là mức lũ lớn nhất, phía đồng là mức n−ớc thấp hoặc không có n−ớc. d) Tr−ờng hợp bất lợi nhất đối với sự ổn định mái đê phía sông khi n−ớc lũ rút nhanh. 64
65.  3. Tính toán dòng thấm, đối với tr−ờng hợp nền đê t−ơng đối phức tạp có thể đơn giản hoá thích đáng, đồng thời tiến hành theo những quy định sau: a) Tr−ờng hợp các lớp đất mỏng kề nhau mà hệ số thấm chênh lệch trong phạm vi 5 lần, có thể coi nh− một lớp, lấy hệ số thấm bình quân gia quyền để làm căn cứ tính toán. b) Tr−ờng hợp nền đê có hai lớp, nếu lớp đất nằm d−ới có hệ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của lớp trên 100 lần trở lên, có thể xem lớp đất nằm d−ới là lớp không thấm n−ớc; nếu lớp mặt là lớp thấm n−ớc yếu thì có thể tính toán theo nền hai lớp. c) Khi hệ số thấm của lớp đất nền tiếp giáp liền với đáy đê lớn hơn hệ số thấm của thân đê 100 lần trở lên, có thể coi thân đê là không thấm n−ớc, chỉ tính toán thấm theo dòng chảy có áp đối với nền đê, vị trí đ−ờng bão hòa của thân đê có thể xác định theo cột n−ớc áp lực trong nền. 4. Việc phán đoán loại hình biến dạng thấm của đất, cần tuân theo những quy định có liên quan trong “quy phạm thiết kế đập đất”. 5. Điều kiện đảm bảo ổn định thấm của điểm thoát n−ớc ra ở mái đê phía đồng và lớp mặt nền là gradien dòng thấm nhỏ hơn gradien cho phép. Nếu tại điểm thoát ra của dòng thấm có gradien lớn hơn gradien cho phép thì phải thiết kế biện pháp bảo vệ nh− tầng lọc ng−ợc, phản áp II- Tính toán thấm của đê đất đồng chất trên nền không thấm n−ớc: 1. Khi mái hạ l−u không có thiết bị tiêu n−ớc hoặc có tiêu n−ớc kiểu áp mái: Công thức tính toán nh− sau: (hình 3-1) q H2 − h2 = 1 0 )( 1 - 3 k 2(L1− m 2 h 0 ) ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ q h− H H = 0 2 ⎢1+ 2 ⎥ (3-2) m H k m2 + 0,5 ⎢ h− H + 2 2 ⎥ ⎢ 0 2 2 ⎥ ⎣ 2(m2 + 0,5) ⎦ L1 = L + Δ L ( ) 3 - 3 m1 ΔL = H 1 ( ) 4 - 3 2m1 + 1 Trong đó: q - l−u l−ợng thấm trên đơn vị chiều rộng (m3/s.m); k - hệ số thấm của thân đê (m/s); H1 - mực n−ớc th−ợng l−u (m); 65
66.  h0 - độ cao của điểm thoát n−ớc hạ l−u (m); m1 - hệ số mái dốc th−ợng l−u; m2 - hệ số mái dốc hạ l−u; Hình 3-1: Tính toán đê đất không có thiết bị tiêu n−ớc. Giải hệ ph−ơng trình (3-1), (3-2) là có thể tìm đ−ợc h0 và q/k. Khi giải ph−ơng trình, có thể dùng một nhóm trị số h0 lần l−ợt thay vào hai ph−ơng trình trên, vẽ đ−ợc hai đ−ờng quan hệ q/k và h0, giao điểm của hai đ−ờng này là nghiệm của hai ph−ơng trình. Công thức tính toán đ−ờng bão hòa nh− sau: q y= h2 + 2 x (3-5) 0 k 2. Khi hạ l−u có thiết bị tiêu n−ớc kiểu đệm, công thức tính toán nh− sau: (hình 3-2) 2 2 h0= L 1 + H1 − L1 (3-6) q =h = L2 + H2 − L (3-7) k 0 1 1 1 Tiêu n−ớc kiểu đệm, chiều dài công tác của khối tiêu n−ớc là: 1 a = h (3-8) 02 0 Công thức tính toán đ−ờng bão hòa nh− sau: 2 y= h0 − 2h0 x (3-9) 66
67.  Hình 3-2: Tính toán đê đất, có tiêu n−ớc kiểu đệm 3. Tr−ờng hợp có khối lăng trụ tiêu n−ớc, công thức tính toán nh− sau: (hình 3-3) 2 2 h0= H 2 + (cL1 ) + (H1 + H 2 ) − cL1 )( 0 1 - 3 q H2 − h2 = 1 0 )( 1 1 - 3 k 2L1 Trong công thức trên, hệ số c đ−ợc định theo hệ số mái dốc của mái giáp n−ớc m3 của khối lăng trụ, trị số của nó nh− sau: m3 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ∞ C 1,347 1,248 1,183 1,142 1,115 1,908 1,085 1,000 Công thức tính toán đ−ờng bão hòa nh− sau: q y= h2 + 2 x )( 2 1 - 3 0 k 67
68.  Hình 3-3: Tính toán đê đất, có khối lăng trụ tiêu n−ớc III- Tính toán thấm của đê đất đồng chất trên nền thấm n−ớc: 1. Tính toán l−u l−ợng thấm: (hình 3-4) Ph−ơng pháp tính toán l−u l−ợng thấm của đê đất đồng chất trên nền thấm n−ớc, là tính toán riêng l−u l−ợng thấm của thân đê và của nền đê, tổng l−u l−ợng thấm trên đơn vị chiều rộng q là tổng của hai l−u l−ợng ấy: (H1− H 2 )T q= qd + k 0 )( 3 1 - 3 L+ m1 H 1 + 0,88T Trong đó: qd - l−u l−ợng thấm trên đơn vị chiều rộng tìm đ−ợc của đê đất đồng chất, trên nên không thấm n−ớc, có cùng hình thức tiêu n−ớc. Hình 3-4: Tính toán đê đất đồng chất trên nền thấm n−ớc 68
69.  2. Tính toán đ−ờng b∙o hòa: Đê đất đồng chất trên nền thấm n−ớc, do ảnh h−ởng của sự thấm n−ớc của nền, đ−ờng bão hòa trong thân đê hạ thấp. Nếu tính toán đ−ờng bão hòa theo nền không thấm n−ớc, thì thiên về an toàn. Khi tính toán đ−ờng bão hòa có các công thức sau đây để xét một cách gần đúng tới ảnh h−ởng của sự thấm n−ớc của nền. Khi tính toán, tr−ớc hết cần tính toán chiều sâu n−ớc đặc tr−ng, căn cứ vào các hình thức tiêu n−ớc khác nhau mà chia thành các tr−ờng hợp sau đây: a) Khi mái hạ l−u có thiết bị tiêu n−ớc áp mái hoặc không có thiết bị tiêu n−ớc: Tính toán theo các công thức sau đây: * Khi k > k0 (k là hệ số thấm của thân đê, k0 là hệ số thấm của nền): h0 - H2 = q ⎧ ⎡ ⎤ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ k ⎢ (m+ 0,5)H ⎥ k T ⎪ ⎨ ⎢1+ 2 2 ⎥ + 0 ⎬ m+ 0,5 m H (m+ 0,5)(h − H ) + m H + 0,44T ⎪ 2 ⎢ (m+ 0,5)(h − H ) + 2 2 ⎥ 2 0 2 2 2 ⎪ ⎢ 2 0 2 ⎥ ⎩⎪ ⎣ 2(m2 + 0,5) ⎦ ⎭⎪ ( ) 4 1 - 3 *Khi k ≤ k0 h0 - H2 = q (3-15) ⎧ k ⎡ (m2 + 0,5)H2 ⎤ k0 T ⎫ ⎨ ⎢1+ ⎥ + ⎬ ⎩m2 ⎣ (m2 + 0,5)(h0 − H 2 ) + 0,5H2 ⎦ m2 h 0 + 0,44T ⎭ b) Khi có thiết bị tiêu n−ớc kiểu đệm (H2 = 0), tính toán theo công thức sau: q h = )( 6 1 - 3 0 k k + 0 0,44 c) Khi có khối lăng trụ tiêu n−ớc, tính toán theo công thức sau đây: * Tr−ờng hợp hạ l−u có n−ớc (H2 ≠ 0): Ph−ơng trình tìm nghiệm h0 là: 2 2 (0,44k + m3k0) h0 − (0,44qm3+ k 0 m 3 H 2 )h 0 − 0,44kH2 = 0 (3-17) * Tr−ờng hợp hạ l−u không có n−ớc (H2=0) 69
70.  0,44qm3 h0 = )( 8 1 - 3 0,44k+ m3 k 0 d) Đ−ờng b∙o hòa: Sau khi tìm đ−ợc chiều sâu n−ớc đặc tr−ng h0, thì dù thân đê dùng hình thức tiêu n−ớc nào, đ−ờng bão hòa cũng đều đ−ợc tính toán theo công thức sau đây: y− h y2 − h2 x= k T 0 + k 0 ) ( 9 1 - 3 0 q' 2q' Trong đó: 2 2 H1 − h0 H1− h 0 q'= k + k0 T (3-20) m1 L+ m1 H 1 − m 2 h 0 2(L + H1− m 2 h 0 ) 2m1 + 1 Trong công thức trên đây, đối với đê đất sử dụng tiêu n−ớc kiểu đệm và tiêu n−ớc bằng khối lăng trụ, lấy m2 = 0 Ph−ơng pháp tính toán thấm của đê đất đồng chất trên nền thấm n−ớc có chiều sâu hữu hạn nói trên, cũng có thể mở rộng dùng tính toán cho tr−ờng hợp nền thấm n−ớc có chiều sâu vô hạn. Vì sự biến đổi chiều sâu của nền gây nên sự biến đổi vị trí đ−ờng bão hòa chỉ thể hiện rõ rệt trong phạm vị chiều sâu nhất định, khi nền sâu thêm nữa thì vị trí của đ−ờng bão hòa trên thực tế cũng không thay đổi nữa. Do đó có thể căn cứ vào tài liệu thí nghiệm và tính toán so sánh để chọn chiều sâu hữu hiệu của nền, khi chiều dày của nền lớn hơn chiều sâu hữu hiệu thì vị trí của đ−ờng bão hòa không thay đổi nữa. Chiều sâu hữu hiệu của nền, Te, có thể lấy bằng: Te = (0,5 ữ 1,0).(L + m1H 1 ) ( ) 1 2 - 3 Do đó, khi chiều sâu thực tế của nền T≤Te, thì tính toán theo chiều sâu nền thực có T; khi T>Te, tính toán theo chiều sâu hữu hiệu Te. Te chỉ sử dụng để tính toán vị trí đ−ờng bão hòa, còn l−u l−ợng thấm vẫn tính toán theo chiều sâu thực tế T. IV- Tính toán thấm không ổn định: Đê điều trong quá trình chặn n−ớc, nếu ch−a thể hình thành dòng thấm ổn định, thì có thể tính toán theo thấm không ổn định (hình 3-5). 70
71.  Hình 3-5: Tính toán đ−ờng b∙o hòa thấm không ổn định Các giả thiết cơ bản của tính toán, nh− sau: 1) Nền đê không thấm n−ớc; 2) Mặt đỉnh của đ−ờng bão hòa gần nh− có dạng đ−ờng thẳng; 3) Bỏ qua thế sức căng của đất không bão hòa. Thời gian cần thiết để dòng thấm xuất hiện ở chân dốc mái đê phía trong đồng: n H 'b T = 0 (m+ m + )2 (3-22) 4k 1 2 H n0 = n(1 − Sw %) (3-23) Trong đó: K - hệ số thấm của thân đê, sử dụng trị số trung bình lớn, hoặc trị số lớn trong các số liệu thí nghiệm (m/s) n0 - độ kẽ rỗng hữu hiệu của đất; n - độ kẽ rỗng; Sw% - độ bão hòa. V- Tính toán Gradien chỗ dòng thấm thoát ra ở mái trong đồng: 1- Gradien chỗ thoát ra của dòng thấm: 71
72.  Gradien chỗ thoát ra của dòng thấm là căn cứ quan trọng để kiểm tra ổn định thấm ở mái trong đồng, sự phá hoại cục bộ ở mặt dốc do tác dụng của lực thấm gây ra rất dễ nguy cập đến an toàn của toàn bộ mái hạ l−u, cho nên trong thiết kế cần phải coi trọng đầy đủ. Việc tính toán chính xác Gradien chỗ thoát ra của dòng thấm hạ l−u là cực kỳ phức tạp, công thức nêu ra d−ới đây là căn cứ vào nghiệm chính xác và tài liệu thí nghiệm trong một số điều kiện đơn giản hoá nhất định, để có lời giải thực dụng tìm đ−ợc với sự giả thiết gần đúng đối với vấn đề nghiên cứu. Một số công thức tính toán đ−ợc Gradien ở chỗ mép n−ớc (hạ l−u có n−ớc) hoặc ở chân dốc (hạ l−u không có n−ớc) là J=∞ , điều này nói lên rằng những công thức đó bị hạn chế ở chỗ gần mép n−ớc hoặc gần chân dốc. Tuy nhiên, điều này phản ánh một thực tế là những chỗ đó của mặt dốc dễ bị dòng thấm phá hoại nhất, cho nên trong thiết kế cần tăng c−ờng các biện pháp bảo vệ. 2- Tính toán Gradien thấm ở mặt dốc của đê đất đồng chất trên nền không thấm n−ớc: a) Hạ l−u không có n−ớc: (H2=0) (hình 3-6) Hình 3-6: Tính toán tr−ờng hợp hạ l−u không có n−ớc (α tính bằng rađiăng) Dòng thấm thoát ra tại điểm A: 1 J0 = sinα = (3-24) 2 1+ m2 Tại điểm B, giao điểm giữa mái dốc của đê với mặt không thấm n−ớc: 1 J0 = tgα = (3-25) m2 Trong các công thức: J0- Gradien thấm thoát ra ở mái trong đồng, khi hạ l−u không có n−ớc. Đoạn giữa hai điểm A, B biến đổi theo đ−ờng thẳng. 72