CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ SÔNG 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu các công trình bảo vệ bờ sông trên thế giới và tại Việt Nam 1.Trên thế giới Thật ra, khó có thể thống kê một cách đầy đủ và chi tiết về công tác nghiên cứu phát triển công trình bảo vệ bờ sông chống xói lở - bồi tụ (Erosion - Accretion and River Engineering) trên thế giới. Tuy vậy, từ các nguồn tài liệu đã công bố, có thể nhận thấy: cùng với công tác phòng chống lũ và sử dụng nguồn nước phục vụ tưới tiêu cách đây hàng ngàn năm của người Ai Cập (sông Nile), Ấn Độ (sông Hằng) và Trung Quốc (sông Hoàng Hà, sông Dương Tử),.thì các ngành khoa học thủy lực, thủy văn cũng bắt đầu phát triển từ những công trình thực nghiệm như: nước chảy trong máng, sự phân bố dòng chảy trong kênh, tính chất liên tục của dòng chảy và mối quan hệ giữa các đặc trưng dòng chảy với chiều rộng, độ sâu, độ dốc, độ nhám của lòng dẫn,. của Le-o-na-dơ-vanh-xi (1452 - 1519), một kỹ sư thiết kế nổi tiếng về các công trình thủy công ở MiLan, là người quy hoạch kênh nối giữa sông Seine với sông Loire (Pháp).
Các đóng góp của Galile Galileo (1564 - 1642) từ các nghiên cứu thực nghiệm đo đạc cũng đã khẳng định sự phát triển của các ngành khoa học này ở Italia. Galileo đã tìm ra sự phân bố vận tốc không đều theo chiều sâu và đánh giá độ dốc lòng sông, độ sâu dòng nước có quan hệ mật thiết với quá trình xói - bồi lòng dẫn sông ngòi cũng như lực xói phải lớn hơn độ bền của đất đá.Duboi (1734 - 1809), người sáng lập trường phái thủy lực Pháp đã đề ra những luận thuyết về thủy lực. Những đóng góp của Pascal (1646 - 1716), Becnuli (1700 - 1782) và Lagrange (1736 - 1813) vào cuối thế kỷ 17 và đầu thế kỷ 18 có ý nghĩa rất lớn trong việc nghiên cứu hoạt động xói - bồi của sông ngòi. Năm 1753, Bram đã đưa ra các công thức dòng đều và sau này được xác lập bởi Chesy với quan điểm độ dốc là thành phần trọng lực cân bằng với sức cản của đáy.
Sự di chuyển ban đầu của vật liệu bùn cát đáy phụ thuộc vào tốc độ dòng nước ở đáy và mũ 1/6 đường kính trung bình của vật liệu đáy. Công thức này đến nay vẫn được sử dụng khá rộng rãi ở Việt Nam và các nước trên thế giới. 5 Vào thế kỷ 19, có nhiều công trình bằng tiếng Đức của Lameyơ (1845), Hagen (1871), tiếng Pháp của Dacxy (1865), Bazin (1897) và tiếng Anh của Humphơ, Abơt (1861), Manning (1890), Dupuy (1804 - 1866), những công trình này đã có những đóng góp đáng kể về vấn đề chuyển tải bùn cát. Hagen gắn liền với nhiều công trình ở phía Bắc nước Đức (cảng Hamburg), các tiêu chuẩn do Hagen đưa ra rất có giá trị trong lĩnh vực thủy động lực công trình.
Năm 1879, Duboi (Pháp) đã tìm ra quy luật chuyển động bùn cát đáy ở trạm thực nghiệm biến dạng lòng sông Mitsissipi. Năm 1895, Loktin công bố luận án “Kết cấu lòng sông” làm cơ sở cho môn động lực sông ngòi ở Nga. Giữa thế kỷ 19 Hakison, Lauren đã tính toán xói - bồi lòng sông trên cơ sở sự chuyển động của bùn cát đáy và tổng lượng bùn cát sông. Đến năm 1960, các nhà khoa học vẫn dùng phương trình cân bằng bùn cát có xét thêm cấu trúc địa chất đáy sông, kết hợp với nghiên cứu trong phòng thí nghiệm để dự báo quá trình xói - bồi lòng dẫn sông ngòi.
Sang thế kỷ 20, các nhà khoa học Pháp, Ý, Đức, Anh (Einstein H.), nhất là Mỹ, Liên Xô cũ, Trung Quốc (Altumin S.) đi sâu nghiên cứu bản chất và cơ chế dòng chảy rối trong các hệ thống sông ngòi. Từ thập niên 50 trở đi, các nhà khoa học Mỹ và Liên Xô cũ (Bercovich K.) đã chú trọng đến việc nghiên cứu tác động của các công trình thủy công đối với quá trình xói - bồi lòng sông thông qua các mô hình toán có xét tới cân bằng dòng bùn cát. Công tác nghiên cứu các mô hình tính toán lý thuyết, sử dụng máy tính điện tử trong tính toán dòng chảy, dự báo biến động các thung lũng sông ngày càng thu được nhiều thành quả hơn (Allen J. Những thập niên gần đây, lũ lụt đã xảy ra liên tục ở nhiều nước trên thế giới như: Ấn Độ, Trung Quốc, Indonesia, Đài Loan, Băngladet.
Đặc biệt, tại bang Bi - ha Ấn Độ (2004), trận lụt lớn nhất trong vòng 15 năm qua đã làm hơn 1800 người chết. Ngoài ra, ở Hai - i - ti chỉ một trận mưa lớn đêm 27/5/2004 đã gây ngập lụt trên diện rộng và làm 6 trên 2000 người thiệt mạng. Riêng từ năm 2005 đến nay bão lớn kèm theo lũ lụt và xói - bồi lòng dẫn sông ngòi đã xảy ra liên tục từ Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Phi đến Châu Á gây thiệt mạng hàng chục ngàn con người, phá hủy nhiều công trình dân sinh và gây tổn thất cho nền kinh tế thế giới lên đến hàng ngàn tỉ đô la. Do đó, các nước thuộc “ủy ban sông Mekong” đã tập trung vào thực hiện chương trình khai thác, sử dụng hợp lý sông ngòi, phòng chống tai biến và bảo vệ môi trường lãnh thổ.
Các công trình chỉnh trị từ thô sơ nay thích ứng với tự nhiên chuyển sang chủ động cải tạo bằng những công trình quy mô lớn, kết cấu phức tạp. Từ đó có thể thấy ngành khoa học về nghiên cứu diễn biến xói lở bờ sông và các công trình chỉnh trị sông ngày càng phát triển mạnh mẽ. Ở châu Mỹ Ở Châu Mỹ các vấn đề về xói lở và chỉnh trị sông được tiến hành nhiều nhất vào thời kỳ cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, tập trung trên các sông Mississippi và Misouri của Mỹ. Cho đến nay, vẫn còn có thể nhận thấy các công trình đó khá rõ trên hình ảnh của Google Earth.
Công trình tôn tạo cù lao Choctaw thuộc sông Công trình bịt 2 lạch phụ để tăng cường lạch Mississippi, Mỹ. giữa trên sông Mississippi, khu vực Innis, Mỹ. Một số công trình chỉnh trị sông phân lạch ở Mỹ Tại Mỹ: Cẩm nang điều tra sông và gia cố bờ sông Cục bảo vệ môi trường Mỹ ủy thác cho Trạm thí nghiệm sư đoàn công binh lục quân Mỹ nghiên cứu biên soạn và xuất bản cuốn sổtay này vào năm 1997. Nội dung chủ yếu 7 của cuốn sách là các kiến thức cơ bản về địa mạo sông ngòi và diễn biến lòng sông, đánh giá hệ thống sông ngòi, kỹ thuật và kết cấu công trình bảo vệ bờ sông ứng dụng cho các đoạn với các điều kiện và yêu cầu khác nhau, nhấn mạnh yếu tố cảnh quan, môi trường, giới thiệu các loại thực vật có thể ứng dụng trong các điều kiện khác nhau.
Quản lý sông - khái niệm và phương pháp bảo hộ và khôi phục sông Vào tháng 6 năm 1999, Trạm thí nghiệm đường thủy của sư đoàn công binh, lục quân Mỹ hoàn thành báo cáo có tiêu đề trên. Báo cáo này trình bày một cách có hệ thống vấn đề bảo vệ sinh thái và khôi phục môi trường sông ngòi. Nội dung chủ yếu là hình thái lòng sông và quá trình bồi xói, công năng sinh thái của sông ngòi, phân tích xâm thực bờ sông, gia cố mái bờ, kỹ thuật công trình sinh thái, quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý công trình chỉnh trị sông. Báo cáo nghiên cứu này cũng trình bày về tầm quan trọng của bố trí độ cao của các loại thực vật trong ổn định bờ sông, sinh thái bờ sông và phương pháp gia cố.
Thiết kế thủy lực công trình khôi phục sông ngòi Tài liệu này do sư đoàn công binh lục quân Mỹ xuất bản vào tháng 9 năm 2001. Mục đích của nghiên cứu này là cung cấp cho cán bộ kỹ thuật chỉnh trị sông các phương pháp thiết kế thủy lực một cách có hệ thống đối với công trình khôi phục dòng sông thích ứng với hệ thống tự nhiên trong các điều kiện ràng buộc khác nhau. Ở châu Âu Tại Anh: Sổ tay kỹ thuật khôi phục dòng sông Tài liệu này công bố vào tháng 4 năm 2002, với nội dung chủ yếu sau: Khôi phục tính uốn khúc của sông, tăng cường công năng sinh thái cho hồ ách trâu, tăng cường sinh thái cho đoạn sông thẳng, công trình sinh thái bảo vệ bờ sông, điều chỉnh cao trình lòng sông, mực nước và dòng chảy, quản lý lũ, kiến tạo vùng đặc trưng đầm lầy, xây dựng công trình thân thiện với người và sinh vật, gia tăng khả năng thoát lũ cho lòng sông, lợi dụng bùn cát nạo vét, đổi tuyến dòng sông. 8 Công trình đón dòng trên sông Garona, Công trình hướng dòng đầu lạch phụ Pháp trên sông Rhine (Đức) Hình 1.
Một số công trình chỉnh trị sông phân lạch ở Châu Âu 1. Ở Châu Á Trung Quốc là quốc gia có nhiều sông lớn như Dương Tử (Trường Giang), Hoàng Hà,. các đoạn sông phân lạch không ổn định tồn tại khắp nơi, nên việc chỉnh trị sông rất phát triển. Ở Trung Quốc, chỉnh trị sông chủ yếu phục vụ luồng lạch giao thông thủy, phần lớn là công trình bịt lạch phụ để tăng cừờng cho lạch chạy tàu.
Kè mõm cá trên đoạn phân lạch chảy Chỉnh trị đoạn phân lạch trên sông Bắc, qua Kyoto, Nhật Bản Quảng Đông,Trung Quốc. Một số công trình chỉnh trị sông phân lạch ở Châu Á Tại Trung Quốc: Quy hoạch và thiết kế công trình chỉnh trị sông hiện đại Sách này xuất bản vào tháng 3 năm 2006, nhưng từ cuối những năm 90 của thế kỷ trước, công trình chỉnh trị sông ở Trung Quốc đã có những chuyển động mạnh mẽ sang định hướng kết hợp tôn tạo cảnh quan và bảo vệ môi trường sinh thái, xây dựng văn hóa sông nước, đặc biệt là đối với những đoạn sông qua các thành phố, đô thị, khu 9 du lịch. Năm 2005, tỉnh Hắc Long Giang ban hành điều lệ quản lý sông, trong đó quy định “quy hoạch chỉnh trị sông cần xem xét đầy đủ các yêu cầu về phòng lũ, bảo vệ môi trường, giao thông thủy, sinh thái tự nhiên và phù hợp với cảnh quan nhân văn”. Tại Nhật Bản Tiêu chuẩn kỹ thuật về công trình bảo vệ bờ Ban hành năm 1997, chỉ rõ: công trình bảo vệ bờ luôn được đặt ở những đoạn bờ sông quan trọng, xung quanh có môi trường sinh thái và cảnh quan, nên công trình bảo vệ bờ sông cần sử dụng các loại kết cấu hài hòa với cảnh quan tự nhiên.
Công trình bảo vệ bờ sông Hình 1.