CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỐNG QUA ĐÊ VÀ THẤM TRONG NỀN CÁT DƯỚI CỐNG 1.1 Hệ thống đê sông và cống qua đê vùng đồng bằng sông Hồng Nằm trong lưu vực sông Hồng – Thái Bình, vùng đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) gồm 11 tỉnh, thành phố gồm Hà Nội, Hải Phòng, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Quảng Ninh, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình có tổng diện tích tự nhiên 21.137,8 km2, dân số khoảng 22,9 triệu người. Hệ thống đê sông trong vùng được xây dựng và phát triển qua hàng nghìn năm, đến nay đã tương đối hoàn thiện với tổng chiều dài các tuyến đê đã được phân cấp là 2.976,722 km; trong đó đê từ cấp III trở lên là 1.1 Bản đồ đê sông vùng đồng bằng sông Hồng 5 Là một trong những hạng mục công trình cấu thành nên hệ thống đê, cống qua đê có tầm quan trọng rất lớn trong hệ thống đê sông vùng ĐBSH.098 cống qua đê thuộc các tuyến đê đã được phân cấp, trong đó các tuyến đê từ cấp III đến cấp đặc biệt có 1.1 Số lượng cống qua đê sông vùng đồng bằng sông Hồng Số lượng cống qua đê TT Tỉnh / thành phố Cấp đặc biệt Cấp I Cấp II Cấp III Tổng 1 Vĩnh Phúc 0 3 4 35 42 2 Bắc Ninh 0 20 33 6 59 3 Hải Dương 0 30 68 41 139 4 Hưng Yên 0 9 6 0 15 5 Thái Bình 0 28 30 58 116 6 Hải Phòng 0 0 68 162 230 7 Quảng Ninh 0 0 0 0 0 8 Hà Nội 7 57 8 62 134 9 Nam Định 0 3 39 143 185 10 Hà Nam 0 12 0 26 38 11 Ninh Bình 0 0 35 56 91 Tổng cộng 7 162 291 589 1.049 Cống qua đê có đặc điểm sau: - Thời gian xây dựng đã lâu và nhiều cống bị xuống cấp: Theo kết quả điều tra của Trung tâm Khoa học và Triển khai kỹ thuật Thủy lợi năm 2019 [2], có 51,7% cống đã hoạt động trên 30 năm, 23% cống đi vào khai thác được từ 20 ÷ 30 năm và 25,4% cống được xây dựng trong vòng 20 năm trở lại đây. Các cống xây dựng trước năm 1990 đã bị xuống cấp hư hỏng, gây ảnh hưởng cho công tác vận hành và ổn định đê điều mặc dù đã được nâng cấp, sửa chữa nhiều lần; các cống xây dựng sau thời gian này cơ bản còn tốt và sử dụng bình thường. - Nhiệm vụ chủ yếu của cống qua đê là tiêu nước, lấy nước, ngăn lũ hoặc ngăn triều (ngăn mặn), tiêu kết hợp lấy nước tưới; nhiều cống còn có nhiệm vụ giao thông thuỷ; - Chế độ làm việc đa dạng và phức tạp: + Công trình thường xuyên chịu các tác động cơ học của nước như áp lực thủy tĩnh, áp lực thủy động, áp lực sóng, v.v; các lực này có thể gây mất ổn định công trình.
+ Khi có chênh lệch mực nước phía sông và phía đồng, nền và mang cống xuất hiện 6 dòng thấm gây áp lực lên công trình, làm giảm khả năng chống trượt của công trình; nước thấm có thể mang đi các hạt đất về hạ lưu và dẫn đến xói ngầm cơ học. + Cống thường được thiết kế để đảm bảo tháo được lưu lượng yêu cầu với độ chênh mực nước thượng hạ lưu khá nhỏ, vì vậy cống dễ bị ảnh hưởng bởi mực nước hạ lưu; + Mực nước thượng, hạ lưu thường xuyên thay đổi, làm cho chế độ chảy qua cống không ổn định; + Dòng chảy ở hạ lưu khuếch tán không đều do ảnh hưởng của việc đóng mở cửa van; + Ở các cống vùng triều, cống chịu sự tác động trực tiếp của chế độ thuỷ triều. Đối với khu vực kín, thuỷ triều chỉ ảnh hưởng ở một phía cống. Còn các lưu vực mở thuỷ triều ảnh hưởng mực nước ở cả hai phía cống làm cho chế độ chảy càng phức tạp mà việc xác định chúng cần phải xét trong một hệ thống liên hoàn cống, kênh dẫn, vùng chứa; + Tổng bề rộng cống thường nhỏ hơn so với bề rộng kênh hạ lưu nên khi dòng chảy ra khỏi bể tiêu năng thường có hiện tượng chủ lưu tách khỏi bờ kênh hình thành các xoáy nước có trục đứng ở hai bên bờ.
- Địa chất nền cống phức tạp: Cống được xây dựng trên nền có cấu trúc địa chất phức tạp, phần lớn là trầm tích trẻ. - Công tác kiểm tra, giám sát an toàn chưa được thực hiện thường xuyên và hiệu quả.2 Các hình thức cống qua đê Cống qua đê được xây dựng theo hình thức cống lộ thiên hoặc cống ngầm với nhiều loại kết cấu khác nhau như bê tông hoặc BTCT, gạch xây, đá xây. Cống có thể được chia thành một hay nhiều khoang tùy thuộc vào nhiệm vụ công trình. a) Cống lộ thiên (Hình 1.2): Cống lộ thiên là loại công trình hở phía trên (không đắp đất).
Cống gồm các bộ phận chính sau: - Bộ phận thân cống có tác dụng điều tiết lưu lượng, khống chế mực nước. Thân cống bao gồm bản đáy, mố bên, mố giữa, cầu giao thông, dàn công tác, cầu thả phai, tường 7 ngực, cửa van. Trên thân cống bố trí cửa van và dàn công tác để đóng mở cửa, các khe phai và cầu thả phai để phục vụ sửa chữa. Nhiều cống còn bố trí tường ngực để giảm chiều cao cửa van.
Hình thức mặt cắt chủ yếu là chữ nhật hoặc hình hộp (Hình 1. BÓ tiªu n¨ng BÓ tiªu n¨ng dÉn phÝa ®ång S©n phÝa ®ång phÝa ®ång Th©n cèng phÝa s«ng S©n phÝa s«ng Kªnh dÉn phÝa s«ng Dµn van PHÝA ®ång PhÝa s«ng CÇu giao th«ng CT ®Ønh ®ª Cöa van CT ®¸y cèng Lç tho¸t níc Lç tho¸t níc Cõ chèng thÊm phÝa ®ång Cõ chèng thÊm phÝa s«ng Cäc BTCT a) C¾t däc cèng CT ®Ønh ®ª §Êt ®¾p th©n ®ª §Êt ®¾p th©n ®ª NÒn ®ª NÒn ®ª b) C¾t ngang cèng Cäc BTCT Hình 1.2 Cắt dọc – cắt ngang điển hình cống lộ thiên qua đê - Bộ phận nối tiếp kênh dẫn phía sông có tác dụng tạo ra chế độ thủy lực thuận lợi, gồm tường cánh hướng dòng, chống xói và chống thấm vòng quanh bờ, bể tiêu năng và sân sau bể tiêu năng chống xói. Trong trường hợp cống không có nhiệm vụ tiêu nước từ đồng ra sông, không cần bố trí bể tiêu năng phía sông. - Bộ phận nối tiếp kênh dẫn phía đồng cũng có tác dụng tạo ra chế độ thủy lực thuận lợi.
Cấu tạo gồm tường cánh hướng dòng, bể tiêu năng và sân sau bể. Khi cống không có nhiệm vụ lấy nước từ sông vào đồng, không cần bố trí bể tiêu năng phía đồng. - Nền cống là phần đất nằm bên dưới bản đáy cống, chịu tác dụng của toàn bộ trọng lượng cống và các tải trọng khác. Nền cống phải đảm bảo khả năng chịu tải trong suốt 8 quá trình làm việc.
Trong nhiều trường hợp, nền cống được xử lý (khoan phụt, đóng cọc, v.) để tăng sức chịu tải. - Bộ phận chống thấm: Bao gồm toàn bộ bản đáy, sân trước, sân sau, tường cánh bể tiêu năng phía sông và phía đồng, mố bên thân cống, các khớp nối giữa bể tiêu năng và thân cống, chân khay và các hàng cừ chống thấm. b) Cống ngầm (Hình 1.3): Cống ngầm là loại công trình đặt dưới đê, phía trên đỉnh cống có đắp đất. Các bộ phận chính của cống ngầm: - Thân cống là một khung cứng làm việc trong điều kiện đất bao bọc xung quanh.
Trong trường hợp thân cống dài, có thể phân chia thành các đoạn nối tiếp nhau bằng khớp nối. Trên thân cống bố trí cửa van, dàn và cầu công tác để đóng mở cửa. Hình thức mặt cắt thân cống chủ yếu là hình hộp, hình tròn, hình vòm (Hình 1. Kªnh dÉn BÓ tiªu n¨ng BÓ tiªu n¨ng Kªnh dÉn phÝa ®ång S©n phÝa ®ång phÝa ®ång Th©n cèng phÝa s«ng S©n phÝa s«ng phÝa s«ng CÇu c«ng t¸c §Ønh ®ª PHÝA ®ång PhÝa s«ng CT ®Ønh ®ª Dµn van §Êt ®¾p th©n ®ª Cöa van CT ®¸y cèng Lç tho¸t níc Lç tho¸t níc Cõ chèng thÊm phÝa ®ång chèng thÊm phÝa s«ng Cäc BTCT Hình 1.3 Cắt dọc thường gặp của cống ngầm qua đê a/ Hình chữ nhật – hình hộp b/ Hình vòm c/ Hình tròn Hình 1.4 Các hình thức mặt cắt ngang cống ngầm qua đê 9 - Bộ phận cửa vào và cửa ra: Hai bộ phận này có tác dụng nối tiếp thân cống với mái đê và kênh dẫn thượng lưu, kênh hạ lưu cũng như có tác dụng hướng dòng chảy vào ra được thuận.
Cửa vào cống, ngoài tường hướng dòng còn có các bộ phận khác đảm bảo cho cống làm việc ổn định và dùng để sửa chữa (khe phai, lưới chắn rác). Cửa ra thường kết hợp với việc bố trí các thiết bị tiêu năng sau cống. - Bộ phận chống thấm gồm các khớp nối giữa các đoạn thân cống, tường răng (cừ tai) và lớp đất có tính thấm yếu đắp hai bên mang cống cũng như trên đỉnh cống.3 Đặc điểm và phân loại cấu trúc địa chất nền cống qua đê khu vực ĐBSH 1.1 Đặc điểm địa chất nền đê và cống qua đê - Địa tầng nền đê và cống qua đê biến đổi phức tạp, tồn tại nhiều lớp đất yếu là sản phẩm của các quá trình trầm tích vũng, vịnh, hồ đầm lầy ven biển. Theo Phạm Văn Quốc và cộng sự [3], địa tầng nền đê từ trên xuống có thể khái quát như sau: + Tầng đất nền số 1 – Tầng phủ đất dính: Phân bố phổ biến trong toàn vùng nghiên cứu với chiều dày trung bình 3 ÷ 6 m; hệ số thấm từ 1.10-6 cm/s; + Tầng đất nền số 2 nằm bên dưới tầng phủ, có thể phân thành 03 kiểu địa tầng: (2a) Đất á sét hoặc đất sét; (2b) Đất bùn sét và bùn sét hữu cơ; và (2c) Cát thông nước với sông.
Kiểu (2c) gồm 02 phân lớp: (2c1) Lớp cát pha lẫn bụi nằm dưới tầng phủ có chiều dày 2 ÷ 3 m, dễ bị hóa lỏng dưới tác động của dòng thấm; (2c2) Lớp đất cát có kích thước hạt tăng dần theo chiều sâu lớp, chiều dày lớp khá lớn từ 10 ÷ 20 m. + Tầng đất nền số 3 là đất sét chặt phân bố hầu hết trên các tuyến đê, bề mặt lớp ở độ sâu 10 ÷ 30 m. Quan hệ về mặt địa tầng các lớp đất trên cho thấy mô hình làm việc của nền đê gồm ba tầng: (1) Tầng phủ đất dính á sét – sét có tính thấm nhỏ; (2) Tầng thông nước là cát pha, cát bụi đến thô có tính thấm vừa đến lớn; và (3) Tầng sét ít thấm hoặc đá gốc.