Nghiên cứu đặc điểm đcct, đề xuất và thiết kế giải pháp đảm bảo sự ổn định tuyến kênh dự án nâng cấp, mở rộng cống nam đàn và hệ thống kênh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
*************

NGUYỄN KHÁNH THÀNH

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM ĐCCT, ĐỀ XUẤT VÀ
THIẾT KẾ GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO SỰ ỔN ĐỊNH
TUYẾN KÊNH DỰ ÁN NÂNG CẤP, MỞ RỘNG CỐNG
NAM ĐÀN VÀ HỆ THỐNG KÊNH

Ngành: Kỹ thuật địa chất
Mã số: 60520501

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Đỗ Minh Toàn

Hà Nội, 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai cơng bố trong bất kì cơng
trình nào khác.

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Khánh Thành


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH KÊNH DẪN NƯỚC VÀ
CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO SỰ ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH ....................... 4
1.1 Kênh và các vấn đề liên quan ............................................................ 4
1.2 Các vấn đề phát sinh khi thi công kênh .......................................... 10
1.2.1. Mất ổn định mái kênh ................................................................. 10
1.2.2. Đất bị đẩy trồi ở đáy kênh .......................................................... 11
1.2.3. Bục đất ở đáy kênh ..................................................................... 12
1.2.4. Cát chảy, đất chảy, xói ngầm ...................................................... 13
1.2.5. Xói lở do tác dụng của dòng chảy ............................................... 15
1.2.6 Thấm ở kênh đào và đắp bằng đất ............................................... 16
1.2.7 Mất ổn định mái kênh khi mực nước trên kênh rút nhanh ........... 16
1.3 Các phương pháp tính tốn, đánh giá sự ổn định trượt đối với
mái kênh .................................................................................................. 17
1.3.1. Phương pháp giả thiết mặt trượt là trụ tròn ................................. 17
1.3.2 Phương pháp tra bảng của M.N Goldstein ................................... 18
1.3.3 Phương pháp xây dựng mặt nghiêng ổn định của N.N Maxlov .... 20
1.4 Một số giải pháp đảm bảo ổn định mái kênh .................................. 21
1.4.1. Các giải pháp bảo vệ bề mặt mái kênh ........................................ 21
1.4.2. Các giải pháp chống trượt mái kênh............................................ 28

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH VÀ DỰ BÁO CÁC
VẤN ĐỀ ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH TUYẾN KÊNH ............................ 38
2.1 Đặc điểm địa chất cơng trình khu vực xây dựng tuyến kênh ......... 38
2.1.1 Đặc điểm địa hình, địa mạo ......................................................... 38
2.1.2 Đặc điểm địa chất và địa chất thuỷ văn ....................................... 38
2.2 Dự báo các vấn đề ĐCCT tuyến kênh ............................................. 46
2.2.1 Đặc điểm kỹ thuật tuyến kênh...................................................... 46
2.2.2 Dự báo các vấn đề ĐCCT và kiểm toán ổn định mái kênh .......... 47
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT VÀ THIẾT KẾ GIẢI PHÁP
ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH MÁI KÊNH ........................................................... 54
3.1 Bảo vệ bề mặt kênh........................................................................... 54
3.1.1 Mục đích...................................................................................... 54
3.1.2 Nguyên tắc lựa chọn .................................................................... 54
3.1.3 Đánh giá ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng của các giải pháp
bảo vệ bề mặt kênh ............................................................................... 55
3.1.4 Lựa chọn giải pháp ...................................................................... 56
3.1.5 Thiết kế một block trồng cỏ trong bê tông đúc sẵn cho mái nghiêng.. 57
3.2 Bảo đảm ổn định chống trượt .......................................................... 57
3.2.1. Mục đích..................................................................................... 57
3.2.2 Nguyên tắc lựa chọn .................................................................... 58
3.2.3 Đánh giá ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng của các giải pháp
bảo đảm ổn định chống trượt ................................................................ 58
3.2.4. Luận chứng lựa chọn giải pháp thiết kế ...................................... 62
3.3. Thiết kế giải pháp đảm bảo sự ổn định mái đứng kênh Cụt (đoạn
BC trên hình 2.2) bằng cọc cừ bêtơng cốt thép dư ứng lực .................. 66
3.3.1 Lý thuyết và phương pháp tính tốn cọc ván BTCT dư ứng lực ... 66


3.3.2 Thiết kế tường cừ BTCT dư úng lực cho mái kênh Cụt (đoạn BC trên

hình 2.3) ................................................................................................ 69
3.3.3 Kiểm tra ổn định chung cho cơng trình ........................................ 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 79
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................... 80
PHỤ LỤC KÈM THEO ............................................................................. 82


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tổng hợp chi tiêu cơ lý của lớp 2 ................................................. 39
Bảng 2.2: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 3 ................................................. 40
Bảng 2.3: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 4 ................................................. 42
Bảng 2.4: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 5 ................................................. 43
Bảng 2.5: Tổng hợp chỉ tiêu cơ lý của lớp 6 ................................................. 44
Bảng 2.6: Kết quả phân tích mẫu nước ......................................................... 45
Bảng 2.7. Các thông số về kênh và tính chất cơ lý của đất đưa vào tính tốn
ổn định ......................................................................................................... 50
Bảng 3.1. Kết quả tính tốn khi có neo ......................................................... 71
Bảng 3.2: Các thông số về kênh và tính chất cơ lý của đất trong tính tốn ổn định 74


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ các ký hiệu mạng lưới kênh .................................................. 6
Hình 1.2: Một số hình dạng mặt cắt kênh ...................................................... 7
Hình 1.3: Thành phố Venice, Ý ...................................................................... 7
Hình 1.4: Amsterdam, Hà Lan........................................................................ 8
Hình 1.5: Kênh đào Panama, Trung Mỹ ......................................................... 9
Hình 1.6: Hội An, Việt Nam........................................................................... 9
Hình 1.7: Các hình thức của mặt trượt .......................................................... 11
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiện tượng cát chảy, đất chảy .............................. 15

Hình 1.9: Mái kênh bị sạt do nước rút nhanh, tại kênh Lam Trà, Nam đàn,
Nghệ an ........................................................................................................ 17
Hình 1.10: Sơ đồ trượt theo mặt trượt AC trên mái kênh .............................. 17
Hình 1.11: Sơ đồ xác định tâm trượt theo Goldstein ..................................... 19
Hình 1.12: Sơ đồ xác định mặt nghiêng ổn định của mái dốc theo N.N Maxlov . 21
Hình 1.13: Kè bảo vệ mái đê biển bằng đá lát khan ở Hải Hậu, Nam Định .... 22
Hình 1.14: Kè đá xây liền khối ở kênh Ngũ Huyện Khê, Từ Sơn, Bắc Ninh 23
Hình 1.15: Kè lát mái bằng bê tông đổ tại chỗ Kênh Đào, Nghệ an ............. 23
Hình 1.16: Trải vải địa kỹ thụât là tầng lọc mái kênh tại Đức ...................... 24
Hình 1.17: Kết cấu thảm FS ......................................................................... 25
Hình 1.18: Kè bằng thảm túi cát ở bờ kênh Sài Gịn ..................................... 25
Hình 1.19: Cải tiến kết cấu lõi rồng vỏ lưới thép .......................................... 26
Hình 1.20: Các rồng đá túi lưới đơn ............................................................. 26
Hình 1.21: Thảm rồng đá túi lưới ................................................................. 26
Hình 1.22: Thảm đá bảo vệ bờ kênh tại Mỹ.................................................. 27
Hình 1.23: Trồng cỏ Vetiver trong khung bê tông bảo vệ bờ kênh ở Anh ..... 27
Hình 1.24: Kè kết hợp các loại vải địa kỹ thuật và thực vật Ý ..................... 28
Hình 1.24: Cọc đất xi măng và công nghệ thi công ...................................... 29


Hình 1.25: Cơng nghệ thi cơng cọc đất xi măng ........................................... 30
Hình 1.26: Máy khoan tạo cọc đất xi măng .................................................. 30
Hình 1.27: Bố trí trụ trộn khơ: 1 Dải; 2 Nhóm, 3 Lưới tam giác, 4 Lưới vng... 31
Hình 1.28: Bố trí trụ trùng nhau theo khối .................................................... 31
Hình 1.29: Bố trí trụ trộn ướt trên mặt đất: 1 Kiểu tường, 2 Kiểu kẻ ô, 3 Kiểu
khối, 4 Kiểu diện .......................................................................................... 32
Hình 1.30: Bố trí trụ trộn ướt trên biển: 1 Kiểu khối, 2 Kiểu tường, 3 Kiểu kẻ ô, 4
Kiểu cột, 5 Cột tiếp xúc, 6 Tường tiếp xúc, 7 Kẻ ô tiếp xúc, 8 Khối tiếp xúc ........ 32
Hình 1.31: Bố trí trụ trùng nhau trộn ướt, thứ tự thi cơng ............................. 32
Hình 1.32: Cừ bê tơng cốt thép dư ứng lực ................................................... 33

Hình 1.33: Một số hình ảnh thi cơng cọc BTCT dư ứng lực ......................... 35
Hình 1.34: Bờ kè dọc sơng thành phố Biên Hịa - tỉnh Đồng Nai ................. 36
Hình 1.35: Cơng trình bờ kề ven biển tại Nhật Bản ...................................... 36
Hình 2.1: Mặt cắt đại diện ............................................................................ 47
Hình 2.2: Mặt cắt kiểm tốn kênh khi chưa đắp mái nghiêng ....................... 51
Hình 2.3: Mặt cắt kiểm tốn kênh sau khi đắp mái nghiêng.......................... 52
Hình 3.1: Một block cấu kiện lắp ghép ......................................................... 57
Hình 3.2: Mặt cắt kênh đại diện.................................................................... 59
Hình 3.3: Mặt cắt kênh đại diện.................................................................... 60
Hình 3.4: Biểu đồ phân bố áp lực đất, mômen và biến dạng với các độ sâu
cắm cừ khác nhau. ........................................................................................ 68
Hình 3.5: Mơ phỏng ứng xử của tổng thể cơng trình và bản thân Cừ bản
BTCT dư ứng lực ......................................................................................... 71
Hình 3.6: Thiết kế cọc bê tơng dư ứng lực.................................................... 72
Hình 3.7: Mặt trượt xẩy ra tại lớp 4 và cắt qua tường cừ .............................. 76
Hình 3.8: Mặt trượt xẩy ra ngay tại mũi cọc cừ nằm trong lớp 5 .................. 77


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Cống Nam Đàn có nhiệm vụ lấy nước từ sơng Lam vào hệ thống kênh tưới,
ngăn lũ cho khu dân cư và phục vụ giao thông đường thủy. Cống đã được xây dựng
từ năm 1936 đến 1939, được khôi phục sửa chữa trong những năm từ 1969 đến
1975. Hiện nay dự án WB đầu tư sửa chữa, nâng cấp một số hạng mục cho cơng
trình. Theo thiết kế, cống có nhiệm vụ lấy nước tưới cho khoảng 30.000ha đất canh
tác trong vùng. Hiện tại, mực nước sông Lam về mùa khô thấp, nhu cầu dùng nước
phục vụ cho các ngành kinh tế trong vùng mở rộng; vì vậy việc nâng cấp, mở rộng
cống Nam Đàn là nhu cầu cấp bách và cần thiết.

Tuyến kênh đi qua khu vực nền đất yếu, khi thi công xây dựng sẽ phát sinh vấn
đề sạt lở mái kênh và các vấn đề ĐCCT khác. Để đảm bảo cho sự ổn định tuyến kênh
cả trong quá trình thi công và đi vào hoạt động, cần thiết phải lựa chọn giải pháp đảm
bảo sự ổn định tuyến kênh. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu đặc điểm ĐCCT, đề xuất và
thiết kế giải pháp đảm bảo sự ổn định tuyến kênh của dự án Nâng cấp, mở rộng cống
Nam đàn và hệ thống kênh” là vấn đề cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn quan trọng.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu của luận văn là làm sáng tỏ đặc điểm địa chất cơng
trình tuyến kênh, đề xuất giải pháp khoa học, kinh tế, hiện đại nhưng phù hợp với
điều kiện địa phương để đảm bảo sự ổn định của mái dốc hai bờ tuyến kênh.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là môi trường địa chất trong tự nhiên đoạn tuyến
kênh dài 1100m, rộng 100m, chiều sâu đến 23m nằm trong vùng ảnh hưởng của
tuyến kênh.
- Phạm vi nghiên cứu là các vấn đề ổn định tuyến kênh, chủ yếu mái dốc
tuyến kênh.
4. Nhiệm vụ của luận văn
Để đạt được mục đích nghiên cứu, nhiệm vụ của luận văn cần làm sáng tỏ:
- Đặc điểm địa chất cơng trình khu xây dựng tuyến kênh;


2

- Phân tích ảnh hưởng của đặc điểm địa chất cơng trình khi xây dưng tuyến kênh;
- Phân tích, đề xuất phương án đảm bảo sự ổn định mái kênh.
5. Nội dung của luận văn
Để đạt được mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài, nội dung nghiên cứu của luận văn gồm:
- Tổng quan các vấn đề nghiên cứu (các vấn đề địa chất cơng trình phát sinh
đối với mái kênh và các giải pháp đảm bảo sự ổn định mái dốc tuyến kênh, các giải
pháp đã áp dụng ở khu vực và thế giới về vấn đề thiết kế các giải pháp đảm bảo ổn

định mái kênh);
- Nghiên cứu đặc điểm địa chất cơng trình khu xây dựng tuyến kênh;
- Lựa chọn, thiết kế giải pháp đảm bảo ổn định mái kênh.
6. Các phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
- Thu thập, nghiên cứu và tổng hợp tài liệu: các hố khoan địa chất cơng
trình, bản đồ khu vực, số liệu về điều tra kinh tế xã hội địa phương, số liệu về thời
tiết khí hậu khu vực, đơn giá và nguồn vật liệu tại địa phương;
- Khảo sát thực địa bao gồm: khoan lấy mẫu bổ sung nhằm xác định chính
xác tính chất cơ lý và ranh giới các lớp đất yếu và đất tốt;
- Thực nghiệm: tiến hành một số thí nghiệm trong phịng và ngồi trời để bổ
sung tài liệu nghiên cứu;
- Tính tốn: sử dụng để dự báo các vấn đề ĐCCT, tính tốn sự ổn định
thành mái kênh, tính tốn thiết kế giải pháp.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Kết quả nghiên cứu có thể tham khảo và sử dụng để thiết kế và thi công
các giải pháp đảm bảo ổn định cho tuyến kênh của Dự án Nâng cấp, mở rộng cống
Nam đàn và hệ thống kênh.
- Đóng góp kinh nghiệm về các giải pháp đảm bảo ổn định mái dốc cho các
cơng trình khai đào ở khu vực Nghệ An và các khu vực khác có điều kiện tự nhiên
tương tự.


3

8. Cơ sở tài liệu của đề tài
Luận văn được xây dựng trên cơ sở nguồn tài liệu:
- Các tài liệu trong nước và ngoài nước đề cập đến thiết kế và thi công
kênh, đặc biệt là tài liệu về tính tốn dự báo sự ổn định và các giải pháp đảm bảo ổn
định cho kênh;

- Bản đồ khu vực tỉ lệ 1/500, 1/200;
- Báo cáo điều tra khảo sát điều kiện kinh tế xã hội của huyện Nam Đàn;
- Các tài liệu khảo sát địa chất cơng trình, thí nghiệm hiện trường cho nhiều
dạng cơng trình xây dựng với các quy mô khác nhau do Viện Quy hoạch và Phát
triển đô thị, Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường,... đã thực hiện.
- Các tiêu chuẩn xây dựng: TCVN: 3805-2009, 22 TCN 259:2000, 14 TCN
115-2000, TCVN 4118:1985, TCVN: 2683-1991, TCVN: 4118-1986.
- Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã tiến hành nghiên cứu bổ
sung công tác đo vẽ địa chất cơng trình, khoan, lấy mẫu, thí nghiệm, quan trắc.
9. Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm phần Mở đầu, 3 Chương, phần Kết luận và kiến nghị,
được trình bày trong 84 trang với 32 hình, 9 bảng biểu.
Luận văn được hồn thành tại Bộ mơn Địa chất cơng trình, thuộc Trường Đại
học Mỏ - Đại Chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đỗ Minh Tồn.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đỗ Minh Toàn, người
thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học trong suốt quá trình từ khi lựa chọn đề tài, xây
dựng đề cương cho đến khi hoàn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy trong bộ mơn Địa chất cơng trình, khoa Địa
chất, Phịng Sau đại học thuộc trường Đại học Mỏ - Địa chất đã giúp đỡ và tạo điều
kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn: Công ty tư vấn thiết kế xây dựng 818, Công
ty Tư vấn và chuyển giao công nghệ - Trường địa học Thủy Lợi, Liên đoàn Địa chất
thủy văn - Địa chất cơng trình miền Bắc đã cung cấp những số liệu cần thiết và tạo
điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã
động viên, khuyến khích để tác giả hồn thành luận văn nghiên cứu.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH KÊNH DẪN NƯỚC VÀ
CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO SỰ ỔN ĐỊNH CỦA KÊNH
1.1 Kênh và các vấn đề liên quan
Kênh là một dạng sông nhân tạo, được đào, đắp hoặc nửa đào, nửa đắp hay
xây mà thành. Mặt cắt ngang thường có dạng hình thang, đơi khi là hình chữ nhật,
nửa trịn,…[12].
Kênh là đường dẫn nước hở hoặc kín được xây dựng để chuyển và cấp nước
cho các ngành dùng nước khác nhau. Ở nước ta, kênh ở các hệ thống tưới được xây
dựng vào thời kỳ trước những năm 1990 của thế kỷ XX, chủ yếu là kênh đào hoặc
đắp bằng đất. Loại kênh này có chi phí xây dựng ban đầu khơng cao nhưng lượng
mất nước do thấm lớn, chiếm nhiều diện tích mặt đất, thường xẩy ra hiện tượng xói,
hàng năm phải đầu tư kinh phí để sửa chữa. Việc sửa chữa kênh khơng chỉ gây tốn
kém về kinh phí mà còn làm gián đoạn việc chuyển nước, ảnh hưởng đến sự làm
việc bình thường của hệ thống kênh.
Để khắc phục những nhược điểm trên, hiện nay mạng lưới kênh đang dần
được kiên cố hóa bằng cách lát mái bê tơng, bê tơng cốt thép hoặc xây lại theo mặt
cắt hình chữ nhật bằng gạch, đá, bê tông hoặc bê tông cốt thép,...Các mạng lưới
kênh mới thiết kế chủ yếu lựa chọn theo phương án kênh xây.
Kênh có thể đồng thời phục vụ nhiều mục đích khác nhau như tưới ruộng,
vận tải thủy và phát điện,…Vì vậy mà người ta phân kênh [12]:
Theo hình thức kết cấu có hai loại: kênh đất và kênh xây
+ Kênh đất: kênh được xây dựng bằng vật liệu đất (gồm cả phần đào và
phần đắp), được bọc hoặc không bọc bằng lớp áo gia cố đáy kênh, gia cố mái kênh
(mái ngoài và mái trong), dùng để dẫn nước trong cơng trình thủy lợi;
+ Kênh xây: kênh được xây dựng bằng vật liệu bê tông, đá, gạch,…dùng để
dẫn nước trong cơng trình thủy lợi, thủy điện,…
Theo đối tượng phục vụ phân ra:

5

+ Kênh dẫn nước phát điện là một bộ phận của trạm thủy điện kiểu đường
dẫn. Độ dốc của kênh này yêu cầu nhỏ để tổn thất cột nước ít;
+ Kênh tưới, dẫn nước tưới ruộng: loại kênh này phải thỏa mãn được lưu
lượng và cột nước tưới tự chảy. Vì vậy kênh thường được bố trí ở những nơi tương
đối cao, độ dốc tương đối nhỏ để hạn chế tổn thất đầu nước;
+ Kênh vận tải: kích thước mặt cắt tùy thuộc và kích thước thuyền, chiều sâu
nước và lưu tốc đảm bảo cho thuyền qua lại được an toàn (v= 0.6m/s đến 1m/s);
+ Kênh cấp nước: dẫn nước cho phục vụ sinh hoạt của nhân dân và các xí
nghiệp, loại kênh này yêu cầu phải cung cấp nước được liên tục;
+ Kênh tháo nước: dùng để tháo nước tiêu úng trong nông nghiệp, tháo nước
thừa của công nghiệp, tiêu nước bẩn của thành phố. Tuyến kênh thường được chọn
ở những nơi thấp để việc tập trung nước được dễ dàng;
Theo vị trí tương đối với mặt bằng xung quanh: kênh nổi, kênh chìm, kênh
nửa nổi;
Theo mặt cắt ngang: kênh kín, kênh hở;
Theo hệ thống kênh bao gồm: kênh chính, kênh cấp 1, cấp 2, cấp 3…và các
kênh nhánh cấp cuối cùng dẫn nước vào ruộng.
+ Kênh chính là kênh dẫn nước từ nguồn phân phối nước cho các kênh cấp 1;
+ Kênh cấp 1 là kênh dẫn nước từ các kênh chính phân phối nước cho các
kênh cấp 2; là cơng trình kênh mà nguồn nước được lấy từ các kênh rạch, sơng hoặc
có thể từ các nguồn khác có năng lực phục vụ trên 5.000ha và quy mô bề rộng mặt
kênh trên 30m;
+ Kênh cấp 2 là cơng trình kênh mà nguồn nước được lấy từ sơng, rạch, kênh
cấp 1 hoặc có thể từ nguồn khác, có năng lực phục vụ từ 500 ha đến 5.000 ha và qui
mô bề rộng mặt kênh từ 20 mét đến 30 mét;
+ Kênh cấp 3 là cơng trình kênh mà nguồn nước được lấy từ kênh cấp 2
hoặc có thể từ nguồn khác, có năng lực phục vụ từ 100ha đến 500ha và qui mô bề
rộng mặt kênh từ 6 mét đến 20 mét;

Ký hiệu các kênh thuộc mạng lưới kênh tưới được quy định như sau:


6

Kênh chính: KC;
Kênh cấp 1: N1, N2, N3,…;
Kênh cấp 2: N1-1, N1-2, N1-3...;
Kênh cấp 3: N1-1-1, N1-1-2, N1-1-3...;

Hình 1.1: Sơ đồ các ký hiệu mạng lưới kênh

Hình dạng mặt cắt kênh:
Hình dạng mặt cắt kênh phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên, tình hình địa
chất nơi kênh đi qua, điều kiện sử dụng, hình thức kết cấu, điều kiện thi công và
điều kiện quản lý,…Mặt cắt kênh đất hay gặp có tiết diện hình thang (hình 1.2a).
Loại này thi cơng đơn giản. Khi kênh có độ sâu khá lớn hoặc đào qua nhiều lớp đất
có tính chất khác nhau thì dùng loại có độ dốc mái thay đổi, càng xuống dưới thì
mái càng thoải hơn (hình 1.2b). Khi kênh đi qua vùng đá tốt, để giảm khối lượng
đào, dùng mặt cắt hình chữ nhật (hình 1.2c). Trường hợp khơng thể mở rộng mặt
cắt của kênh như đi qua vùng khu dân cư, gần các cơng trình khác, qua sườn dốc thì
thường xây tường chắn đất để thu hẹp mặt cắt của kênh (hình 1.2e). Khi cần tiết
kiệm nước, tiết kiệm diện tích đất thường dùng kênh xây. Mặt cắt kênh xây phổ
biến dạng chữ nhật (hình 1.2d) khi cần sử dụng mặt bằng hoặc tránh đất, chất thải
tràn vào kênh sử dụng hình thức kênh có nắp đậy hoặc mặt cắt kênh hình hộp (hình
1.2g,h). Kênh vận tải thủy có thể dùng mặt cắt dạng tam giác để tăng độ sâu vận tải
và giảm sức cản của thuyền.


7

Hình 1.2: Một số hình dạng mặt cắt kênh

Khi thiết kế mặt cắt kênh cần chú ý một số vấn đề sau:
- Mặt cắt kênh thiết kế sao cho tương tự với mặt cắt có lợi về mặt thủy lực,
tức là diện tích ướt là nhỏ nhất mà lưu lượng nước vận chuyển qua lại là lớn nhất.
Như vậy sẽ giảm được khối lượng đào và đắp;
- Mái kênh phải đảm bảo điều kiện ổn định. Nó phụ thuộc vào điều kiện địa
chất nơi tuyến kênh đi qua;
- Kênh được thiết kế phải đảm bảo điều kiện khơng xói, khơng lắng và
không mọc cỏ trong kênh.
Một số địa danh nổi tiếng được xây dựng xung quanh hệ thống kênh:

Hình 1.3: Thành phố Venice, Ý


8

Venice: được gọi là “thành phố của nước”, Venice được nối liền với nhau
bởi 150 con kênh và hơn 400 cây cầu. Mặc dù đã bị hư hỏng nhiều bởi thời gian và
một phần do lượng khách du lịch tới đây càng ngày càng nhiều, nhưng Venice vẫn
giữ được sự quyến rũ và lãng mạn của mình. Ở Venice, bạn chỉ có thể di chuyển
bằng thuyền dọc theo những con kênh để chiêm ngưỡng những nét kiến trúc độc
đáo hai bên bờ kênh.

Hình 1.4: Amsterdam, Hà Lan

Amsterdam, Hà Lan: thành phố Amsterdam bắt đầu xây dựng hệ thống
kênh đào nổi tiếng vào thế kỷ 17 trong thời kỳ hoàng kim của Hà Lan. Ba kênh
chính: Herengracht, Prinsengracht và Keizersgracht tạo ra vành đai đồng tâm xung

quanh thành phố, được gọi là grachtengordel. Ngày nay con kênh này dài hơn
100km và sở hữu 1.500 cây cầu được xây dựng khắp nơi.


9

Hình 1.5: Kênh đào Panama, Trung Mỹ

Kênh đào Panama: kênh đào nhân tạo Panama dài 77km đã làm thay đổi
quá trình vận chuyển và du lịch bằng cách kết nối Đại Tây Dương và Thái Bình
Dương trên một dải đất hẹp ở Panama. Hoàn thành năm 1914, kênh đào Panama
cho phép các tàu đi qua một loạt cửa hải quan để đi từ Đại Tây Dương sang Thái
Bình Dương và ngược lại, loại bỏ tuyến đường dài nguy hiểm khi di chuyển quanh
Nam Mỹ. Ngày nay, có hơn 14.000 tàu đi qua kênh đào này mỗi năm.

Hình 1.6: Hội An, Việt Nam


10

Hội An, Việt Nam: được mệnh danh là "Venice của Việt Nam", Hội An là
một thành phố cổ nằm ở hạ lưu sông Thu Bồn, thuộc tỉnh Quảng Nam. Nơi đây là
một thương cảng quốc tế sầm uất từ thế kỷ 16 của những thuyền bn trong nước
và nước ngồi. Đơi khi, nó được gọi là “Venice của Việt Nam” do những kênh hẹp
len lỏi qua một phần của thị trấn cổ.
Kênh là một trong những hạng mục quan trọng trong cơng trình thủy lợi. Từ
xa xưa, ơng cha đã biết sử dụng hệ thống kênh vừa để dẫn nước tưới tiêu cho đồng
ruộng, vừa phục vụ giao thông đường thủy. Ngày nay, cùng với sự phát triển của
đất nước, từng bước đưa đất nước phát triển theo hướng công nghiệp hóa hiện đại
hóa thì kênh dẫn các cơng trình thủy lợi không chỉ phục vụ cho nông nghiệp, giao

thông mà cịn phục vụ cho cơng nghiệp, du lịch và dân sinh [8]. Vì vậy, trong mọi
trường hợp, vấn đề đảm bảo an tồn kênh nói riêng và hệ thống kênh nói chung là
đảm bảo an tồn về dân sinh, kinh tế, an ninh quốc phòng.

1.2 Các vấn đề phát sinh khi thi cơng kênh
Kênh là cơng trình dạng tuyến, thường đi qua khu vực có cấu trúc địa chất
khác nhau, khi thi công xây dựng đào sâu và đắp cao sẽ làm thay đổi đột ngột bề
mặt địa hình, hình thành mái dốc, làm xuất hiện các điểm lộ nước ngầm dẫn tới sự
chênh lệch đột ngột áp lực mực nước. Vì vậy, làm thay đổi trạng thái ứng suất của
đất dưới đáy và xung quanh mái kênh và gây ra hiện tượng trượt, lở,…
Mặt khác, do kênh đi qua vùng đất có các cấu trúc địa chất khác nhau do đó
sẽ phát sinh các vấn đề mất ổn định khác nhau. Các vấn đề mất ổn định kênh đào
bao gồm:
1.2.1. Mất ổn định mái kênh
Hiện tượng mất ổn định mái kênh là do khi khai đào, nạo vét hay xói lở
đất ở đáy kênh làm cho đất ở mái kênh thay đổi trạng thái cân bằng vốn có. Tại
thời điểm ban đầu trong lòng đất tồn tại các giá trị ứng suất cân bằng, khi thi
công xây dựng kênh (khai đào, nạo vét,…) các thành phần ứng suất này bị thay
đổi dẫn đến xuất hiện các mặt trượt, đất ở mái kênh có xu hướng dịch chuyển
về đáy, làm biến đổi hình dạng mái kênh, gây ra mất ổn định mái kênh. Tùy


11

thuộc vào cấu trúc địa chất, thành phần đất đá, áp lực địa tầng, bề mặt địa hình
tự nhiên mà mặt trượt có thể xuất hiện từ trên mặt xuống các độ sâu khác nhau
và có hình dạng khác nhau. Mặt trượt có thể chỉ xẩy ra ở mái kênh (hình 1.7a)
nhưng cũng có thể xuống cả đáy kênh (hình 1.7b).

H, m

H, m
Mặt trượt
Mặt trượt

a.Trượt ở thành mái kênh

b.Trượt ở thành và đáy kênh

Hình 1.7: Các hình thức của mặt trượt

1.2.2. Đất bị đẩy trồi ở đáy kênh
Đất bị đẩy trồi thường xảy ra với nền đất dính do các nguyên nhân:
- Khi dỡ bỏ tải do quá trình đào đất, đất ở đáy kênh có xu hướng bị nở ra
gây ra hiện tượng đất ở đáy kênh bị trồi lên. Nếu thời gian thi công kéo dài, đất
dưới đáy kênh sẽ bị phá hoại kết cấu do áp lực của đất bị giảm đến mức áp suất
khí quyển.
- Trong trường hợp đất dưới đáy kênh có tính trương nở chưa bão hịa, khi
gặp nước thì cũng có thể gây nên vấn đề đất bị đẩy trồi ở đáy.
Để đánh giá định lượng vấn đề đất bị đẩy trồi đáy kênh, Terzaghi đã đưa ra
hệ số an toàn chống trồi K. [14] Terzaghi cho rằng, nếu cường độ tải trọng trên đáy
kênh vượt quá khả năng chịu lực giới hạn của nền sẽ làm cho đất ở đáy kênh bị trồi
lên. Hệ số chống trồi K được tính theo cơng thức (1.1).


12

K 

qd


pv

5, 7 c
2cH
H 
B

(1.1)

Trong đó:
qd: khả năng chịu lực giới hạn của nền đất ( qd = 5,7c);
pv: cường độ tải trọng của đất nền trên đáy kênh (t/m2);

 : khối lượng thể tích đất trên đáy kênh ( t/m3);
c : lực dính kết của đất trên đáy kênh (t/m2);
H: chiều sâu đáy kênh (m);
B: chiều rộng đáy kênh (m);
K: hệ số chống trồi.
Nếu K ≥ 1,5 thì đáy kênh khơng bị trồi, nếu K < 1,5 thì đáy kênh bị mất ổn
định do đất bị đẩy trồi.
1.2.3. Bục đất ở đáy kênh
Vấn đề bục đất ở đáy kênh chỉ xảy ra khi tầng chứa nước tồn tại trong các lớp
đất phía sát đáy là có áp, mực áp lực cao hơn đáy kênh, bề dày lớp cách nước ở đáy
kênh là mỏng. Khi thi công kênh đến độ sâu thiết kế, do lớp cách nước còn quá mỏng,
dưới áp lực của tầng chứa nước có áp có thể gây ra hiện tượng bục đất ở đáy kênh.
Hiện tượng này phụ thuộc vào từng loại đất và trị số áp lực của tầng nước có áp.
Để đánh giá định lượng vấn đề bục đất ở đáy kênh do áp lực của tầng nước
có áp, Terzaghi đã đưa vào hệ số an toàn chống bục đất ở đáy kênh (Ky) theo cơng
thức (1.2).

Ky 

Pcz
Pw y

(1.2)

Trong đó:

Pcz : trọng lượng bản thân của đất từ mặt đáy kênh đến mái của tầng nước có
áp (t/m2);

Pwy : áp lực cột nước của tầng nước có áp (t/m2);


13

K y : hệ số an toàn bục đáy kênh.

Nếu K y ≥ 1,05 thì đáy kênh ổn định, nếu K y < 1,05 thì đáy kênh bị bục do
áp lực của tầng chứa nước có áp.
1.2.4. Cát chảy, đất chảy, xói ngầm
Hiện tượng các dịng cát chảy vào cơng trình đào cắt qua nó, thường là cát
hạt nhỏ, cát hạt mịn, cát pha, bão hòa nước làm cho mái kênh bị biến dạng, các cơng
trình ở gần kênh mất ổn định gọi là hiện tượng cát chảy [15].
Các điều kiện phát sinh cát chảy:
- Đối với đất: đất rời, giữa các hạt khơng có lực dính kết hoặc có nhưng rất
nhỏ, bão hòa nước;
- Áp lực thủy động của dòng nước ngầm truyền vào các hạt đất khi đào

kênh, khi đào kênh làm cho hạt đất di chuyển theo hướng Gradien thấm.
Điều kiện để xẩy ra hiện tượng cát chảy (theo I.V.Popov):
≥
Trong đó:
: áp lực thủy động,

=

.Iđn;

Iđn: gradien thủy động của dịng ngầm (

;

: khối lượng thể tích đẩy nổi của hạt đất;
: khối lượng thể tích của nước;
=(

-

)(1-n)  Iđn ≥ ( -1)(1-n)

Đặt Igh = ( -1)(1-n) là gradient thủy lực giới hạn
 Iđn ≥ Igh = ( -1)(1-n).
Theo cơ chế, tích chất và nguyên nhân phát sinh, chia làm 2 loại cát chảy:
- Cát chảy giả: xẩy ra trong đất cát sạch khơng có lực dính kết, không chứa
hạt sét và hữu cơ. Cát chảy giả do áp lực thủy động quá lớn tạo nên.
Đặc điểm:
+ Góc nghỉ tự nhiên của cát khi thoát nước bằng 28 đến 320;

14

+ Nước dễ thoát ra khỏi đất, nước trong;
+ Cát ngừng chảy khi Igh ≥ Iđn.
- Cát chảy thật: xẩy ra trong đất cát khơng đồng nhất có chứa từ 3% - 5%
hạt sét và hữu cơ. Cát chảy do ma sát giữa các hạt quá nhỏ.
Đặc điểm:
+ Góc nghỉ tự nhiên của cát khi thoát nước là 50-70;
+ Nước dễ thoát ra khỏi đất, nước đục;
+ Cát vẫn chảy khi Igh ≥ Iđn.
Ngồi hai hiện tượng trên cịn phân biệt hiện tượng đất chảy đối với đất loại
sét yếu ở trạng thái chảy như bùn sét, bùn sét pha, bùn cát pha.
Độ bền của bùn là rất nhỏ do mối liên kết kiến trúc giữa các hạt là mối liên
kết keo nước, độ bền liên kết kiến trúc thấp (ít khi đạt 1kG/cm2), vì vậy khi có tác
dụng của lực nhỏ thì bùn cũng dễ dàng chuyến sang trạng thái chảy gọi là đất chảy.
Theo V.D Lomtadze [15]. Hiện tượng xói ngầm được hiểu là q trình vận
chuyển những hạt nhỏ qua những lỗ rỗng của cốt đất hạt to hơn. Sự phát triển xói
ngầm đặc trưng cho tác dụng phá hoại do thấm, sự không đồng nhất về thành phần
của đất đá và phương diện thấm. Xói ngầm phát triển tương đối chậm (hàng năm,
hàng chục năm) nhưng cũng ảnh hưởng đến sự ổn định của kênh khi trong khối đất
cấu tạo thành mái kênh xảy ra hiện tượng xói ngầm, độ chặt của đất giảm xuống và
độ rỗng tăng lên, gây mất ổn định mái kênh.
Điều kiện phát sinh và phát triển xói ngầm:
- Điều kiện về kiến trúc của đất: thành phần cấp phối hạt. Trong đất phải có
2 loại đường kính hạt chiếm ưu thế và

d
D
 20 hay Cu  60  20 , dẫn đến phát sinh

d
d10

xói ngầm.
- Điều kiện về dịng thấm: độ dốc giới hạn để các hạt cát bắt đầu bị đẩy đi
được xác định theo công thức của E.A. Zamarin (1.3).


15

Igh = (D – 1)(1 – n) + 0,5n

(1.3)

Trong đó:
D: tỷ trọng của cát;
n: độ rỗng.
Nếu Ithực tế > Igiới hạn dẫn đến xảy ra xói ngầm.
Tác dụng của sóng nước trong lòng kênh làm tăng nhanh hiện tượng cát
chảy, đất chảy đôi khi xẩy ra tai biến đối với mái kênh. Nếu ở phần dưới của mái
kênh có hiện tượng cát chảy, đất chảy thì các khối bên trên sẽ mất điểm tựa. Trên
sườn dốc, mái dốc xuất hiện các vết nứt, dẫn tới việc thành tạo các khối trượt mới,
hoặc thúc đẩy hiện tượng trượt phát triển thêm, dẫn tới sự ổn định của mái kênh bị
phá vỡ tồn bộ.
Cát, bùn khi bão hịa nước thường có độ chặt kết cấu rất kém, bởi thế khi
chịu tải trọng, chúng bị nén chặt, bị dồn ép và bị đẩy ra chứng tỏ rằng chúng khơng
ổn định khi khai đào.

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa hiện tượng cát chảy, đất chảy

1.2.5. Xói lở do tác dụng của dịng chảy
Dịng chảy trong kênh tác dụng vào mái kênh theo hai phương: phương dọc
theo kênh có tác dụng vận chuyển vật liệu đi và phương ngang kênh có tác dụng xói
và đẩy vật liệu ra.


16

Sóng là tác nhân quan trọng trong q trình xói lở mái kênh. Tốc độ xói của
sóng phụ thuộc vào cường độ của sóng, độ dốc của mái kênh, các đặc điểm về thế
nằm, độ cứng, kiến trúc và cấu tạo của đất đá ở mái kênh.
Dưới tác dụng liên tục của sóng làm các liên kết giữa các hạt đất bị mất đi,
các hạt đất bị sóng cuốn trơi, tạo ra các hang hốc lớn, xói lở nhanh, gây hỏng mái
kênh. Áp lực sóng tác dụng lên mái kênh làm thay đổi trạng thái ứng suất của mái
kênh, khi sóng rút có xu thế kéo vật liệu đất ra ngồi và gây xói lở.
Các đợt sóng lên và xuống liên tục nên áp lực thủy động tác dụng thay đổi
liên tục dẫn đến gây xói và lở đất nhanh.
1.2.6 Thấm ở kênh đào và đắp bằng đất
Nước trong kênh bị tổn thất một phần do bốc hơi, một phần bị thấm vào đất.
Lượng nước tổn thất do bốc hơi nhỏ hơn so với tổn thất do thấm. Lượng nước thấm
của đất vào kênh có thể đạt tới 50 đến 60% lưu lượng hữu ích qua kênh. Dịng thấm
từ kênh vào đất phụ thuộc vào tầng đất thấm nước mà kênh đi qua như chiều dày
tầng thấm, độ sâu mực nước ngầm, hệ số thấm của các lớp đất,… Nó cịn cũng phụ
thuộc vào loại kênh có được gia cố hay không gia cố.
1.2.7 Mất ổn định mái kênh khi mực nước trên kênh rút nhanh
Khi mực nước trong kênh dâng lên, nước sẽ thấm vào trong tầng chứa nước
(loại đất có hệ số thấm cao như đất cát, cát pha, bùn cát pha,…) làm bão hòa đất dẫn
đến c,  giảm, đất ở mái dễ bị lở và cuốn trôi. Khi nước kênh rút, nước trong các
lớp đất này thốt ra lịng kênh sinh ra áp lực thủy động, đẩy các hạt đất về phía lịng
kênh và gây mất ổn định mái kênh [12].

Trong các hệ thống cơng trình thuỷ lợi có rất nhiều kênh tưới, tiêu lớn. Khi
yêu cầu về tưới giảm (hoặc tháo cạn kênh để sửa chữa), mực nước trong các kênh
giảm nhanh; đặc biệt là đối với các kênh của các trạm bơm, khi dừng bơm, mực
nước trong kênh giảm rất nhanh xảy ra hiện tượng sạt trượt bờ kênh.


17

Hình 1.9: Mái kênh bị sạt do nước rút nhanh, tại kênh Lam Trà, Nam đàn, Nghệ an

1.3 Các phương pháp tính tốn, đánh giá sự ổn định trượt đối với mái kênh
Để đánh giá ổn định mái kênh người ta thường sử dụng các phương pháp: giả
thiết mặt trượt là mặt trụ tròn, tra bảng của M.N Goldstein, mặt nghiêng ổn định của
N.N Maxlov.
1.3.1. Phương pháp giả thiết mặt trượt là trụ tròn
Đây là phương pháp khá phổ biến để tính tốn ổn định thành mái kênh. Bản
chất của phương pháp là xác định hệ số ổn định mái đất đối với mặt trượt nguy
hiểm nhất.
O
α
C

B
R
a
Q

SL

A

Hình 1.10: Sơ đồ trượt theo mặt trượt AC trên mái kênh