Từ khóa Xem với cỡ chữ

Tóm tắt: Sông cong gấp là một dạng dị thường trong quá trình phát triển của loại sông uốn khúc tồn tại rất phổ biến trong các vùng Đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB) và Đồng bằng Nam Bộ (ĐBNB). Những đoạn cong trên sông ảnh hưởng đáng kể tới thoát lũ, uy hiếp đê điều, xói lở bờ và giao thông thuỷ. Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá những vấn đề khoa học công nghệ trong công trình cắt sông đã thực hiện tại Việt Nam là rất cần thiết, nhằm phục vụ nhu cầu cấp thiết về chỉnh trị sông cong gấp, góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội của các địa phương có các đoạn sông tương tự như trên.

TS. Nguyễn Kiên Quyết

Bộ môn Công trình thủy, Trường Đại học Công nghệ GTVT

1. ĐẶT VẤN ĐỀ 

Sông cong gấp là một dạng dị thường trong quá trình phát triển của loại sông uốn khúc tồn tại rất phổ biến trong các vùng đồng bằng. Đoạn sông được gọi là cong gấp khi bán kính cong tại đỉnh nhỏ hơn 3 lần chiều rông sông ở lưu lương tạo lòng. Khu vực đồng bằng Nam Bộ (ĐBNB), có các đoạn cong gấp như Tân Châu, Hồng Ngự, Sa Đéc ..trên sông Tiền, đoạn Rạch Lá đầu kênh Chợ Gạo, đoạn Thanh Đa trên sông Sài Gòn, đoạn Cù Lao Phố trên sông Đông Nai; Khu vực đồng bằng Bắc Bộ (ĐBBB), hiện tượng cong gấp có thể gặp trên nhiều các con sông lớn nhỏ, như đoạn Quán Các- An Lãng, Mom Rô trên sông Hồng, đoạn Hữu Chung trên sông Luộc và rất nhiều đoạn cong gấp liên tục trên sông Kinh Môn, Ruột Lợn v. v..; Trên các sông Miền Trung  hầu như con sông nào cũng có đoạn sông cong gấp.

            Những đoạn cong trên sông ảnh hưởng đáng kể tới sự phát triển kinh tế của các ngành liên  quan đến khai thác tổng hợp dòng sông, cụ thể sông cong gấp do chịu ảnh hưởng từ yếu tố lòng dẫn hình thành sức cản phụ gia từ dòng chảy hoàn lưu làm mực nước dâng cao, cản trở thoát lũ, uy hiếp đê bao, xói lở. Đối với giao thông thuỷ, đoạn sông cong gấp làm cản trở tầm nhìn khi di chuyển, kéo dài hành trình chạy tàu, gây khó khăn cho điều khiển tàu, tạo ra các ngưỡng cạn có lạch sâu so le rất nguy hiểm.

            Ở Việt Nam, cùng với quá trình phát triển nhanh về kinh tế trong vài thập kỷ gần đây, nhu cầu chỉnh trị đoạn sông cong gấp càng trở nên bức thiết để đạt được các mục tiêu chủ yếu như giao thông thủy, chống xói lở bờ sông, phòng lũ, bảo vệ đê bao, ổn định tuyến luồng tàu…Thực tế một số công trình chỉnh trị đoạn sông cong gấp đã và đang được triển khai do yêu cầu cấp thiết của thực tế, kết quả là một số dự án chỉnh trị đã có kết quả tốt khi áp dụng giải pháp cắt sông đoạn Quản Xá trên sông Chu (Thanh Hoá), nhưng một số dự án hiệu quả cũng chưa được như ý muốn. Nguyên nhân chủ yếu của các dự án chỉnh trị đoạn sông cong gấp thất bại là phương pháp nghiên cứu chưa phù hợp, cách tiếp cận với đối tượng chỉnh trị chưa đúng, chưa đủ và chưa phù hợp, các cơ sở khoa học để chỉnh trị đoạn sông cong gấp trong điều kiện Việt Nam còn thiếu hoặc chưa có.

Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá những vấn đề khoa học công nghệ trong công trình cắt sông đã thực hiện tại Việt Nam là rất cần thiết, nhằm giúp các kỹ sư thực hiện dự án về chỉnh trị đoạn sông cong gấp có thêm tài liệu tham khảo đáng tin cậy, phục vụ nhu cầu cấp thiết về chỉnh trị sông cong gấp, góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội của các địa phương có các đoạn sông tương tự như trên.

2. HIỆN TƯỢNG CẮT SÔNG TỰ NHIÊN TRÊN CÁC SÔNG VIỆT NAM

Sau khi đoạn sông uốn khúc phát triển thành vòng sông, dòng chảy mùa lũ có khả năng tìm đường chảy tắt qua eo sông và có thể phá thành lạch mới, bỏ lạch cũ, gây ra hiện tượng cắt eo sông tự nhiên.

Sau khi cắt được lạch mới qua eo sông, do dòng chảy có độ dốc lớn, lưu tốc lớn, sức tải cát lớn, hơn nữa cửa vào luôn ở phía bờ lõm khúc cong thượng lưu nên nước chảy vào lạch mới là nước trong, vì vậy lạch mới nhanh chóng được phát triển chiều rộng và chiều sâu. Ở sông cũ, do dòng chảy có độ dốc bé, lưu tốc bé, sức tải cát bé, lại tiếp nhận dòng chảy đáy nên cửa vào nhanh chóng bị bồi lấp. Khi sông cũ hoàn toàn không còn dòng chảy, lạch mới phát triển thành sông chính, thông qua toàn bộ lưu lượng để rồi lại bắt đầu một chu kỳ mới hình thành và phát triển một đoạn sông uốn khúc. Đoạn sông cũ còn một đoạn ở đỉnh cong không bị bồi lấp trở thành một hồ nước chết, gọi là "hồ ách trâu". Hồ Tây, hồ Ngọc Đồng - Cao Xá (sông Hồng), hồ Trại Vàng (sông Luộc) vv.. đều là những "hồ ách trâu", sản phẩm của cắt eo sông tự nhiên. Trên ảnh viễn thám có thể thấy nhiều vết của các lòng sông cũ, điển hình trên hình 1.

Hình 1. Dấu tích của cắt sông tự nhiên ở Việt Nam

3. CÔNG TRÌNH CẮT SÔNG NHÂN TẠO TRÊN CÁC SÔNG Ở VIỆT NAM

Ở Việt nam, các công trình cắt sông mà con người chủ động tiến hành trên các sông Kinh Môn, Kinh Thầy, sông Đào Nam Định … đều không thành công, kênh dẫn nhanh chóng bị lấp lại, khúc cong vẫn không được cải thiện. Một số công trình được nghiên cứu khá kỹ, đã làm dự án đầu tư như Hữu Chung trên sông Luộc, Kênh Đồng - Đò Lau trên sông Lạch Tray … nhưng do nhiều vướng mắc trong các vấn đề phi kỹ thuật nên vẫn chưa được tiến hành. Duy chỉ có công trình chỉnh trị đoạn cong gấp Quản Xá trên sông Chu (Thanh Hóa) do trường Đại học Thủy lợi và trường Đại học Xây dựng phối hợp tiến hành nghiên cứu, thiết kế và được thực thi vào những năm 1993 – 1994 đã đạt được hiệu quả mong muốn.

Công trình cắt sông cong Quản Xá trên sông Chu là công trình cắt sông cong đầu tiên thành công ở Việt Nam, công trình được tiến hành thi công xây dựng vào năm 1994 và khai thác sử dụng cho đến nay.

a) Giới thiệu về đoạn sông nghiên cứu

Từ thị xã Thanh Hoá, theo đường tỉnh lộ qua rừng thông đi về phía Tây Bắc, qua cầu Thiệu Hoá sang bờ tả sông Chu, rẽ theo tuyến đê về phía hạ lưu. đến Quản Xá, khoảng 12km. Đỉnh cong Quản Xá, cách ngã ba Giàng – Cửa nhập lưu sông Chu vào sông Mã chỉ 4,5km. Quản Xá có vị trí địa lý ở khoảng 105⁰48^' kinh đông, 20⁰ vĩ Bắc.

Đoạn sông nghiên cứu dài 5,3km, từ đỉnh cong Yên Tâm – Phú Vân ở thượng lưu đến đỉnh cong Phú An  - Đại khánh ở hạ lưu dọc sát theo bờ trái là các xã Thiệu Hợp, Thiệu Duy, Thiệu Thịnh của Huyện Thịeu Yên, bờ phải là địa phận của xã Thiệu Tân thuộc huyện Đông Sơn. Đứng ở Quản Xá, nhìn sang bờ đối điện, Núi Đọ nổi  tiếng (di chỉ của nèn văn hoá trống đồng Đông Sơn) chỉ cách 2km. Đây là một trong những chiếc nôi đầu tiên của dân tộc Việt Nam.

Quản Xá là tên gọi công trình kè xung yếu nhất trên sông Chu, bảo vệ cho đoạn đê dọc theo  bờ lõm của khúc sông cong thuộc địa phận của các xã Thiệu Hợp, Thiệu Duy, Thiệu Thịnh Huyện Thiệu Yên (Thanh Hoá).

Đoạn sông này quá cong, cong gấp nhất trên toàn tuyến sông Chu. Bán kính cong lòng dẫn cơ sở chỉ còn 400m, cản trở dòng chảy, gây ứ dềnh mặt nước, ảnh hưởng thoát lũ. Chủ lưu ép sát bờ, bờ đã vào sát chân đê. Dưới chan bờ dốc đứng là các hố sâu cục bộ do các dòng xoáy tạo ra. Hố xói lớn nhất dạt đến cao trình (-10), trong lúc đỉnh đê có cao trình (+10,5).

Vị trí đoạn bị xói mạnh hiện chuyển dần về đầu khúc cong, làm thay đổi thế sông.

Trên đoạn sông này đã xây dựng 15 mỏ hàn ngắn, tạo thành một phòng tuyến bảo vệ bờ. Nhưng do lòng sông không ổn định, kết cấu dòng chảy phức tạp, hệ thống công trình này không đủ cả vè số lượng lẫn chất lượng để dảm bảo an toàn cho đê. Quản Xá vẫn là nỗi lo lắng thường xuyên của ngành Thủy lợi Thanh Hoá.

Về toàn cục, đoạn sông này có vai trò quan trọng trong thoát lũ của sông Chu. Tổng lượng nước hàng năm của sông Chu khoảng 4,60 km³, tức là 25% tổng lượng nước của hệ thống sông Mã, thoát qua đoạn sông này.

Đoạn đê Quản Xá bờ tả, có ý nghĩa quyết định đến an toàn của cả một khu vực rộng lớn, gồm 16 xã huyện Thiệu Yên Là: Thiệu Ngọc, Thiệu Vũ, Thiệu Tiến, Thiệu Thành, Thiệu Công, Thiệu Phúc, Thiệu Hưng, Thiệu Phú, Thiệu Nguyên, Thiệu Hợp, Thiệu Thịnh, Thiệu Quang, Thiệu Giang, Thiệu Duy, Thiệu Long và Định Bình.

Hình 2. Sông cong đoạn Quản Xá - trên sông Chu (Thanh Hóa)

b) Giải pháp công trình cắt đoạn cong Quản Xá trên sông Chu

            Mục tiêu chỉnh trị đoạn Quản Xá sông Chu có thể tóm tắt như sau:

            + Chống xói lở bờ trái của đoạn sông (thượng lưu Quản Xá) nâng cao mức dộ an toàn của đoạn đê Quản Xá.

            + Tăng cường tính ổn định của đoạn sông trên cơ sở tạo ra một tuyến sông phù hợp với các qui luật vận động tự nhiên của dòng sông cũng như thoả mãn các yêu cầu khai thác kinh tế tổng hợp trên đoạn sông trong giai đoạn trước mắt cũng như lâu dài.

            Phương án qui hoạch chỉnh trị đoạn sông được nghiên cứu một cách tỉ mỉ trên mô hình vật lý, nội dung của phương án như sau:

            + Với phương châm là tách nguyên nhân xói lở bờ uy hiếp đê điều ra khỏi mục tiêu bảo vệ, phương án tuyến được xác định trên cơ sở cắt cong để uốn nắn lại tuyến sông Quản Xá.

Phương án cắt vòng sông cong gấp bằng một kênh dẫn có bán kính cong thuận hơn do GS. Lương Phương Hậu đề xuất được chấp nhận và tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý lòng cứng và lòng động. Kênh mồi có chiều rộng 40 m, đáy kênh ở cao trình – 1,0 m, một mỏ hàn hướng dòng ở cửa vào và 5 mỏ hàn bảo vệ bờ ở hạ lưu cửa ra kênh dẫn.

Công trình cắt đoạn cong Quản Xá, sử dụng 7 loại công trình khác nhau:

            + Gia cố bờ;

            + Mỏ hàn;

            + Kè mõm cá;

            + Kè khoá;

            + Kênh dẫn;

            + Bạt mom.

Hình 3. Giải pháp công trình cắt đoạn cong Quản Xá trên sông Chu

c) Hiệu quả của công trình

Kết quả của hệ thống công trình này qua đánh giá thực tế cho thấy, sau mùa lũ năm 1995, kênh được mở rộng, đào sâu và thoát được 60% lưu lượng mùa lũ, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ cho đoạn đê Quản Xá, hệ thống công trình đã phát huy tác dụng và đạt những hiệu quả tích cực có thể kể đến như sau:

1. Đẩy dòng chủ lưu và trục động lực sang lạch phải (kênh đào), hiện nay theo kết quả mới đi thị sát đoạn sông tháng 6/2008, thì bề rộng lạch trái hiện chỉ chiếm khoảng 20% so với bề rộng lạch phải.

2. Giảm lưu lượng về phía lạch trái (lạch chính trước khi cắt song), vận tốc vùng ven bờ sát đê tả giảm nhỏ, sức tải cát và khả năng vận chuyển bùn cát giảm nhỏ đáng kể ở vùng chân đê trước kia bị sạt lở nay đã bồi cao và hình thành vùng bãi rất thoải, nhân dân vùng ven sông đã trồng rau và hoa màu.

3. Chống sạt lở bờ sông, bảo vệ an toàn cho đề điều.

4. Tăng khả năng thoát lũ của lòng sông, ổn định thế sông.

Hình 4. Hiệu quả của công trình cắt đoạn cong Quản Xá trên sông Chu

4. MỘT SỐ NHẬN THỨC VỀ CÁC VẤN ĐỀ KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ TRONG THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH CẮT SÔNG CONG GẤP

a)  Vấn đề định tuyến kênh dẫn

Yêu cầu cơ bản đối với kênh dẫn là dễ xói, thỏa mãn yêu cầu chạy tầu mùa kiệt, cửa vào cửa ra nối tiếp thuận lợi với song cũ, thế sông thượng hạ lưu không thay đổi lớn, khối lượng công trình không quá lớn.

- Một chỉ tiêu quan trọng trong thiết kế kênh dẫn là "tỷ lệ cắt cong", tức tỷ số giữa chiều dài sông cũ và chiều dài kênh dẫn. Tỷ lệ này thường khống chế trong khoảng 3 ¸ 7. Nếu quá nhỏ, độ dốc thay đổi không nhiều, kênh dẫn không dễ bị xói, khối lượng công trình lớn, hiệu quả cắt sông không lớn; nếu quá lớn, độ dốc dòng chảy trong kênh dẫn tăng cao, xói lở xảy ra nghiêm trọng, kênh dẫn mở ra quá nhanh, khó khống chế.

- Hình thái mặt bằng kênh dẫn nên là một đường cong với bán kính cong vừa độ, không nên là đường thẳng hoặc đường cong quá gấp.

- Góc lệch cửa vào cửa ra của kênh dẫn so với sông cũ q nói chung càng nhỏ càng tốt, nhưng nếu quá nhỏ sẽ kéo dài kênh dẫn, thường khống chế trong khoảng q = 15⁰ ¸ 25⁰.

- Chiều dài của kênh dẫn tương đối ngắn để giảm được khối lượng đào, nhưng không nên ngắn quá vì như vậy sự xói lòng kênh sau khi tháo nước vào kênh xảy ra rất mãnh liệt có thể gây bồi ở đoạn sông phía hạ lưu cửa ra của kênh dẫn.

- Tuyến kênh đi qua vùng địa chất dễ xói vì điều đó quyết định đến quá trình tự xói của kênh dẫn trong tương lai và giảm khối lượng đào ban đầu. Thường tuyến kênh nên tránh vùng địa chất phức tạp. Khó xói làm cho kênh dẫn không có điều kiện phát triển.

- Xét đến ảnh hưởng của dòng sông đến các công trình hiện tại, sẽ xây dựng trong tương lai của trung ương cũng như địa phương.

- Xét đến kinh phí đền bù tài sản của nhân dân trong phạm vi kênh dẫn đi qua, kinh phí xây dựng các công trình hỗ trợ cho kênh làm tăng giá thành đầu tư xây dựng công trình chính.

- Ngoài ra, còn chú ý tránh đi qua vùng dân cư và các vùng di tích quan trọng.

b)  Thiết kế kênh dẫn

- Khi thiết kế mặt cắt kênh dẫn cần thiên về chiều sâu hơn chiều rộng để tập trung dòng nước vào kênh.

- Thiết kế mặt cắt kênh dẫn cần lấy lưu tốc làm điều kiện khống chế, yêu cầu lưu tốc dòng chảy kênh dẫn phải lớn hơn lưu tốc khởi động của đất kênh dẫn, khả năng tải cát kênh dẫn trong quá trình phát triển đều lớn hơn hàm lượng bùn cát ở cửa vào kênh dẫn để đảm bảo kênh dẫn được xói. Kinh nghiệm thực tế cho hay, khả năng tải cát kênh dẫn ban đầu cần lớn hơn 1,5 lần năng lực tải cát sông cũ.

- Bán kính đường cong của tuyến kênh dẫn lấy bằng bán kính ổn định của đoạn sông tốt có điều kiện tương tự. Bán kính cong lấy bằng 6 lần chiều rộng ổn định của đoạn sông vì với bán kính này lòng kênh dẫn được xói rộng cả hai bờ nghĩa là chiều sâu lớn nhất của lòng kênh nằm ở vị trí nửa chiều rộng kênh dẫn.

- Đối với sông có yêu cầu chạy tàu, đáy kênh cần thỏa mãn yêu cầu chạy tàu. Nếu lớp đất khó xói còn kéo xuống thấp hơn đáy chạy tàu thì vẫn phải đào hết lớp đất này, còn lớp đất khó xói kết thúc ở cao trình cao hơn đáy chạy tàu, dưới đó là đất dễ xói thì chỉ cần đào hết lớp đất khó xói là được.

- Để nối tiếp với lòng sông cũ tại chỗ cửa vào, cửa ra của kênh cần thiết mở rộng mặt cắt kênh theo dạng hình phễu trên mặt bằng. Chiều dài đoạn mở rộng và độ dốc mở rộng của đường biên kênh không có qui định chi tiết mà tuỳ điều kiện cụ thể của địa hình cửa vào, cửa ra và chiều dài của kênh dẫn để lựa chọn cho phù hợp.

- Độ dốc dọc của kênh dẫn thiết kế phụ thuộc vào lưu tốc yêu cầu xói hạt đất ở lòng kênh và kích thước của mặt cắt.

- Trên đoạn mở rộng mặt bằng tại các cửa cần thiết tạo độ dốc để nối tiếp với đáy sông.

c) Công trình bảo vệ bờ, khống chế diễn biến lòng dẫn

Trong kênh dẫn, thời kỳ đầu sạt lở xảy ra cả hai bờ nhưng dần dần sạt lở chỉ xảy ra phía bờ lõm, làm cho bờ lõm mở ra khá nhanh. Cần dự kiến đường bờ quy hoạch sau khi kênh dẫn phát triển hoàn toàn để khống chế sự phát triển đó. Có thể tập kết sẵn vật liệu gia cố dọc theo đường bờ quy hoạch để kịp thời ngăn chắn sự sạt lở quá mức.

- Ở đoạn sông thượng lưu, do độ dốc tăng lên, sạt lở bờ sông có thể mạnh hơn, nhưng không nhiều, cần củng cố, tăng cường cho các công trình cũ, có thể bố trí gia cố thêm ở vùng gần cửa vào kênh dẫn.

- Ở đoạn sông hạ lưu, gia cố bờ tập trung tại vị trí dòng chảy từ cửa ra kênh dẫn thúc sang bờ đối diện.

- Cần thiết phải có hệ thống tín hiệu để hướng dẫn tàu vào kênh dẫn được an toàn và yêu cầu cơ quan quản lý đường sông có bảng thông báo về tình hình vận tải của kênh dẫn một cách thường xuyên.