VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

Hệ thống đê biển và cơ sở khoa học lựa chọn khẩu độ cống dưới đê ven biển Đồng bằng sông Cửu Long

Tác giả: TS. Tô Văn Trường


Đê biển vùng ĐBSCL là tuyến đê xung yếu để bảo vệ sản xuất và đời sống nhân dân một vùng rộng lớn ven biển, góp phần quan trọng trong việc bảo vệ phát triển và ổn định sản xuất, đời sống nhân dân và bảo vệ an ninh quốc phòng. Trong các năm qua Trung ương và các tỉnh ven biển Nam bộ đã cố gắng tập trung nhân vật lực, đặc biệt sau trận bão 11/1997 và quy hoạch đê biển-đê cửa sông vùng ĐBSCL, củng cố, bồi trúc và xây dựng mới được khá nhiều đoạn, góp phần quan trọng cho phát triển sản xuất và ổn định cuộc sống người dân.

   
1.         Vai trò của cống trong hệ thống đê biển ĐBSCL
Ngay từ trước năm 1945, để khai thác ruộng đất phục vụ cho sản xuất người Pháp đã cho đắp 3 tuyến đê (1) Ven biển từ Thị xã Bạc Liêu đến Gành Hào (2) Từ Long Phú đến cửa sông Mỹ Thanh (3) Vùng An Biên, An Minh. Dân số nước ta ngày càng tăng, nhu cầu phát triển kinh tế ngày càng hướng ra biển, trong khi sóng gió, triều cường tác động ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của người dân. Để bảo vệ hạ tầng cơ sở, tài sản và tính mạng của người dân, kết hợp đê với đường giao thông phục vụ an ninh quốc phòng các tuyến đê biển, đê cửa sông, đặc biệt sau giải phóng tiếp tục được hình thành, nâng cấp cho đến ngày nay.
        Công trình rất quan trọng trong hệ thống đê biển, đê cửa sông ở ĐBSCL là cống có vai trò tổng hợp kiểm soát mặn, giữ ngọt, tiêu thoát xổ phèn, cấp nước, kết hợp giao thông. Trong suốt thời gian vừa qua, việc lựa chọn khẩu độ cống kết hợp với đê luôn xảy ra mâu thuẫn về cách xác định chiều rộng cống phục vụ đa dạng cho nhu cầu phát triển sản xuất. Khi ngành thủy sản phát triển nuôi trồng, đặc biệt ở những vùng nuôi tôm sú, lại rộ lên nhiều ý kiến đánh giá khẩu độ cống xây dựng hiện có, quá nhỏ không đáp ứng được yêu cầu sản xuất và đời sống nhân dân. Đây là phản ánh đúng với thực tế vì trước đây, thiết kế cống ở ĐBSCL chủ yếu nhằm phục vụ cho phát triển cây lúa và do điều kiện kinh tế (vốn đầu tư) nên thường khẩu độ cống thiết kế chỉ vào khoảng 30-50% bề rộng của kênh. Các cống được thiết kế dựa theo hệ số tưới tiêu của cây lúa, chưa quan tâm đến phuc vụ thủy sản, đặc biệt tôm sú (coi mặn cũng là tài nguyên). Mặt khác, trong các giáo trình trước đây cũng chưa đề cập nhiều đến kinh nghiệm thiết kế cống ở vùng triều, đất phèn nên những người thiết kế cũng gặp khó khăn khi muốn tham khảo tài liệu. Kết quả, một số vùng các cống xây dựng xong lại làm cho tình trạng xấu hơn so với khi chưa có cống, người dân phản đối gọi là “thủy hại”. Một số cống đã phải nâng cấp, mở rộng hoặc bổ sung thêm các cống phụ để đáp ứng được cả yêu cầu lấy nước mặn, xổ phèn như các cống ở vùng Chà Và, Thâu Râu…
        Ngày nay, theo yêu cầu phát triển kinh tế-xã hội, ở những vùng mặn có yêu cầu nuôi tôm sú đòi hỏi phải thay đổi nhận thức thiết kế cống từ 1 chiều sang 2 chiều, từ khái niệm ngăn mặn chuyển sang kiểm soát mặn. 
        Cống là một loại công trình thuỷ lợi chủ yếu để khống chế mực nước và điều tiết lưu lượng. Cống thường được xây dựng tại ácc đầu mối thuỷ lợi, trên những hệ thống tưới, tiêu, phân lũ, ngăn mặn... Khi xây dựng cống trên kênh có nguyên lý cần làm rõ là lưu lượng lưu lượng lớn nhất (Qmax) và lưu lượng nhỏ nhất (Qmin) qua cống sẽ giảm đi nhưng lưu lượng trung bình (Qtb) qua cống sẽ tăng lên nhờ cách điều tiết theo chiều mong muốn.    
        Hiện nay, công nghệ thiết kế cống đã và đang phát triển nhanh, mạnh để tiến tới hoàn thiện. Tuy nhiên, ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long, do chế độ thuỷ lực diễn biến rất phức tạp: phụ thuộc vào triều biển Đông, biển Tây với chế độ triều khác nhau, mức độ chênh lệch đỉnh và chân triều thay đổi liên tục và phụ thuộc vào nguồn nước thượng lưu. Vấn đề thiết kế cống còn gặp nhiều khó khăn, bất cập, đặc biệt là trong tính toán thuỷ lực để lựa chọn hình thức kết cấu, xác định chiều rộng cống như thế nào cho phù hợp. Đây là một vấn đề rất khó khăn phức tạp vì nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: địa hình, thuỷ lực, mục đích xây dựng và sử dụng, môi trường, khả năng đầu tư.
  
2.         Đặc điểm dòng chảy qua cống ở ĐBSCL
- Dòng chảy qua cống có lưu tốc trung bình lớn, phân bố không đều, mạch động lưu tốc và mạch động áp lực lớn.
- Mực nước thượng hạ lưu và lưu lượng qua cống luôn thay đổi theo thời gian vì thế trạng thái chảy qua cống cũng luôn thay đổi.
- Dòng chảy ở hạ lưu thay đổi không đều do cửa van đóng mở không đồng bộ,  gây xói lở ở hầu hết các cống.
- Bề rộng cống còn quá nhỏ so với bề rộng kênh.
TT
Tên cống
Tỉnh
Chiều rộng cống Bc (m)
Chiều rộng kênh Bk (m)
Tỷ lệ
Bk/Bc
1
Vàm Đồn Bến Tre
15
40
2,5
2
Vàm Hồ Bến Tre
10
18
1,8
3
Tầm Phương Cửu Long
15
30
2,0
4
Đa Lộc Cửu Long
10
22
2,2
5
Cái Xe Hậu Giang
7
15
2,1
6
Gò Công Tiền Giang
16
32
2,0

 - Các cống vùng triều làm việc với chế độ lúc chẩy ngập lúc chẩy tự do, gây hiện tượng nước nhảy sóng, sạt lở 2 bờ ở hạ lưu.
- Chịu ảnh hưởng rất lớn của chế độ thủy triều ở cả 2 đầu cống.
- Cống làm việc trên nền đất mềm yếu.
      
3.         Một số khó khăn trong thiết kế, sử dụng các công trình cống ở ĐBSCL                            
        ĐBSCL với một hệ thống kênh mương chằng chịt, liên thông và có quan hệ mật thiết với nhau. Vì vậy trong bài toán quy hoạch, cũng như tính toán thuỷ lực, thiết kế các công trình không thể tách rời sự ảnh hưởng qua lại của chúng. Yêu cầu từ thực tế, cần phải nâng cao tính đồng bộ trong công tác thiết kế các cống ở ĐBSCL, cụ thể là thiết kế công trình phải luôn gắn liền với quy hoạch.

        Hiện tượng xói lở 2 đầu cống có thể giải thích được bởi các nguyên nhân sau:

- Các cống ở ĐBSCL, trong công tác quy hoạch xác định làm việc theo hệ thống, không tách rời đơn lẻ. Nhưng khi đầu tư xây dựng, thiết kế thì đơn lẻ, chính vì thế mà chế độ thuỷ lực thay đổi, gây xói.
- Trong thiết kế chưa giải quyết hết được sự biến đổi dòng chảy ngay phía sau cửa ra, gây dòng chảy ngoằn ngoèo, tạo xói lở 2 bờ.
 
4.         Các yếu tố cơ bản quyết định đến việc lựa chọn chiều rộng cống Bc
- Thuỷ lực:
+ Ở thượng lưu cống phải đảm bảo nước vào thuận dòng, không phát sinh hiện tượng nước quẩn, nước xoáy, không gây lắng đọng bùn cát. Ở hạ lưu không có nước nhảy sóng, không phát sinh dòng chảy xiên vào hai bên bờ.
+ Lưu tốc qua cống phải đảm bảo không vượt quá lưu tốc xói cho phép, hoặc phải có hình thức gia cố thượng hạ lưu cống.
+ Độ giảm mực nước hạ lưu của cống không được quá lớn làm ảnh hưởng đến khả năng lấy nước và tưới tự chảy (hiện nay thường lấy độ giảm mực nước hạ lưu nhỏ hơn 10 cm). 
+ Ảnh hưởng nhiều đến chọn Bc, kết cấu cống.
-   Thấm:
        Ảnh hưởng nhiều đến hình thức kết cấu.
-   Nền móng:
        Quyết định đến kích thước bản đáy, hình thức kết cấu của cống.
-   Giao thông:
        Quyết định đến kích thước Bc, hình thức kết cấu của cống.
        Để có thể thiết kế hoàn chỉnh một công trình thì phải phối hợp tất cả các vấn đề vừa nêu trên, sắp xếp theo trình tự ưu tiên (theo mục đích sử dụng). Từ đó lựa chọn kích thước Bc cho phù hợp.
5.         Các vấn đề cần lưu ý khi thiết kế cống
-   Phần dẫn nước vào:
        ĐBSCL với đặc điểm là địa chất yếu nên cống luôn phải bố trí phần cửa vào như sau: Tường cánh hướng nước+Sân phủ+Cừ chống thấm+Bản neo tăng cường ổn định.
        Với góc mở của tường cánh: Tg ≥1/3 - 1/4.
        Chú ý: + Góc mở quá lớn gây chảy xoáy.
                     + Tùy theo điều kiện địa hình để chọn góc mở phù hợp.
        Kết quả tính thuỷ lực, chọn Bc và mục đích sử dụng có ảnh hưởng rất lớn đến hình thức chọn kết cấu, góc mở của tường hướng nước.
-     Phần thân cống:
        Đối với ĐBSCL, kích thước cống là kết quả của sự kết hợp giữa tính thuỷ lực và yêu cầu giao thông. Mà trong đó yêu cầu về giao thông là ưu tiên thứ nhất.
        Chiều dài thân cống nằm trong khoảng (3-10)H (H: Cột nước chảy qua cống). Để chọn được chiều dài thân cống cần kết hợp với chiều rộng cống Bc, vì diện tích đáy cống có liên quan trực tiếp đến ổn định nền và bản thân cống.
-     Phần dẫn nước ra:
        ĐBSCL với đặc điểm là địa chất yếu nên cống luôn phải bố trí phần cửa ra như sau: Tường cánh hướng nước+Bể tiêu năng+Sân sau.
        Với góc mở của tường cánh: Tg≤ 1/6- 1/4.
        Chú ý: + Góc mở lớn gây dòng chảy ngoằn ngoèo, hiện tượng chân không.
                    + Tuỳ theo điều kiện địa hình, tiêu năng để chọn góc mở phù hợp.
6.         Tính toán thuỷ lực
-   Xác định mực nước thiết kế thượng hạ lưu cống:
        Căn cứ vào nhiệm vụ công trình xác định cấp công trình, từ đó có mức đảm bảo tần suất PTK. Ứng với PTK, qua tính toán thủy lực, thủy văn xác định được mực nước thượng hạ lưu cống.
+ Mực nước hạ lưu (Zh):
• Với cống lấy nước:  Là mực nước thiết kế đầu kênh Zk = Zh
• Với cống phân lũ, cống tiêu:
Cống phân lũ: Theo tính toán thủy văn, tra quan hệ (Q1+Q) ~ Zh để tìm Zh
                                            Q:   Lưu lượng trên đoạn sông
        Q1: Lưu lượng đoạn gia nhập
        Cống tiêu vùng triều: Tìm Zh theo chân triều, đỉnh triều và dạng triều thiết kế
+ Mực nước thượng lưu (Zt):
• Với cống lấy nước: Từ Q1 và (Q1- Q) tra quan hệ Q~Z tìm Z1, Z2
                    Q: Lưu lượng lấy đi
        Q1: Lưu lượng trên sông ~ Z1 trên sông trước cửa lấy nước
        Q1- Q: Lưu lượng còn lại ~ Z2 trên sông sau cửa lấy nước
                    Tổn thất cột nước: ∆Z1 = Z1 - Z2
                    Do nước chảy vào cống làm mực nước giảm ∆Z2 = 
K = Q/Q1
v = (Q1-Q)/w  
(ω: Diện tích mặt cắt ướt của sông phía dưới cửa lấy nước)
                    Nếu đặt cống cách sông một khoảng L thì có tổn thất ∆Z3
        Như vây mực nước thượng lưu: Zt = Z1 – (∆Z1 + ∆Z2 + ∆Z3)
                    Gọi Zpg là cột nước phân giới của sông thì:
Nếu Zt > Zpg thì chọn Zt.
Nếu Zt < Zpg thì chọn Zpg.
• Với cống phân lũ, cống tiêu:
        Căn cứ theo mực nước khống chế trong vùng, tính toán thủy lực, thủy văn xác định được mực nước thượng lưu cống Zt.
Lựa chọn cặp (Zt, Zh) thiết kế.
 Dùng cặp (Zt - Zh)min ~ Q1 để thiết kế khẩu độ cống
 Dùng cặp (Zt - Zh)max ~ Q2 để tính toán tiêu năng
        Việc lựa chọn các cặp giá trị này rất quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến việc chọn lưu lượng đơn vị (q) qua cống. Sẽ ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn Bc .
- Lưu lượng đơn vị (q) chảy qua cống :
        Vấn đề chọn lựu lượng đơn vị chảy qua cống rất quan trọng, cần phải xét đến ngay từ đầu vì nó ảnh hưởng đến: giá thành, điều kiện làm việc của cống và kênh.
+ Khi chảy tự do (Cửa van mở hoàn toàn):
                            (1)
+ Khi chảy ngập (Cửa van mở hoàn toàn):
• Ngưỡng thực dụng:     (2)
• Ngưỡng đỉnh rộng:    (3)
+ Khi có cửa van mở một phần:
• Chảy tự do:  (4)
• Chảy ngập:   (5)
Trong đó:
        m: Hệ số lưu lượng.            φ: Hệ số lưu tốc.
        e: Hệ số co hẹp bên.             α: Hệ số co hẹp đứng.
        a: Độ mở cửa van.               b: Bề rộng 1 khoang cống.
        Ho: Cột nước tràn có tính lưu tốc tới gần.
        h: Cột nước chảy trên ngưỡng.
        hz: Cột nước co hẹp khi bị chảy ngập (cửa van mở 1 phần).
        Từ 5 công thức nêu trên cho thấy:
+ Khi chọn lưu lượng đơn vị lớn ~ kích thước cống nhỏ ~ Tiêu năng cống phức tạp.
+ Khi chọn lưu lượng đơn vị nhỏ ~ kích thước cống lớn ~ Tiêu năng cống đơn giản.
 
        Thông thường thì nên căn cứ theo mực nước để lựa chọn lưu lượng đơn vị (q) cho phù hợp. Cụ thể:
+ Khi chênh lệch cột nước thượng hạ lưu lớn, năng lượng chảy qua cống lớn nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ.
+ Khi chiều sâu cột nước sau cống nông, nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ để giảm nhẹ vấn đề tiêu năng.
+ Khi nền yếu, khả năng chống xói kém, nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ để giảm nhẹ vấn đề tiêu năng.
+ Khi cống có quy mô lớn, nước chảy ra sau cống không đều, dễ dẫn đến hiện tượng tập trung dòng chảy, nên chọn lưu lượng đơn vị nhỏ.
 
7.     Kết luận
        Như vậy có thể thấy với ĐBSCL, nếu theo tính toán thuỷ lực phương án chọn chiều rộng cống (Bc) tiến đến gần bằng chiều rộng kênh (Bk) là tối ưu nhất. Tuy nhiên, việc chọn tỷ lệ Bc/Bk là bao nhiêu để hợp lý thì yêu cầu người thiết kế phải kết hợp những công tác sau đây để từ đó tổ hợp tìm ra một tỷ lệ Bc/Bk thích hợp nhất cho từng công trình:
-  Xác định các yêu cầu, mục đích sử dụng của công trình. Sắp xếp theo thứ tự ưu tiên.
-  Xác định chế độ làm việc chủ yếu của cống (trạng thái chảy): Không ngập, chảy ngập, thay đổi 2 chiều.
-  Xác định tối ưu các cặp giá trị mực nước và lưu lượng
-  Chọn lưu lượng đơn vị tương thích với loại cống, vùng làm việc của cống
-  Tính toán thủy lực cống: Xem xét điều kiện làm việc của công trình (đơn lẻ hay gắn liền vào hệ thống). Cơ sở chọn chiều rộng cống Bc:
+ Tính toán nền móng.
+ Phân tích kinh tế.
+ Đối chiếu với quy phạm và kích thước kênh.

Lưu ý: Do tính chất phức tạp của chế độ thủy văn, thủy lực ở ĐBSCL nên việc xác định bề rộng cống cần phải được thông qua bài toán thủy lực mạng lưới sông kênh. Trong giai đoạn quy hoạch hoặc thiết kế sơ bộ có thể lấy diện tích thoát nước bằng lưu lượng lớn nhất (Qmax chia cho vận tốc dòng chảy 1,3 m/s). Chênh lệch mực nước ở thượng hạ lưu thượng hạ lưu lúc đó vào khoảng 7 cm.