Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Đại cương Nghiên cứu nguyên nhân mất ổn định bờ sông, tương ứng đoạn từ k21+600 đến k26+50...

Tài liệu Nghiên cứu nguyên nhân mất ổn định bờ sông, tương ứng đoạn từ k21+600 đến k26+500 đê hữu hồng, huyện ba vì, hà nội và đề xuất giải pháp gia cố

.PDF
123
91
56

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Việt Hà NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG TƯƠNG ỨNG ĐOẠN TỪ K21+600 ĐẾN K26+500 ĐÊ HỮU HỒNG HUYỆN BA VÌ, HÀ NỘI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Việt Hà NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG TƯƠNG ỨNG ĐOẠN TỪ K21+600 ĐẾN K26+500 ĐÊ HỮU HỒNG HUYỆN BA VÌ, HÀ NỘI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CỐ Chuyên ngành: Địa chất môi trường Mã số: 8440201.3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Dương Thị Toan Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến mẹ và vợ tôi, hai người đã luôn bên tôi động viên và cổ vũ tinh thần cho tôi hoàn thành luận văn này. Một người tôi vô cùng biết ơn nữa là TS. Dương Thị Toan, người đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu cơ chế quá trình phá hủy bờ sông Hồng khu vực Hà Nội do chế độ thủy động lực của sông trong mùa mưa phục vụ việc bảo vệ và phát triển bền vững vùng ven sông” mã số 105.08-2015.24 – Quỹ Nafosted, Bộ Khoa học và Công nghệ. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong bộ môn Địa kỹ thuật, khoa Địa chất, trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội, đã tạo điều kiện cho tôi được sử dụng phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật và nhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các cán bộ, nhân viên Hạt Quản lý Đê điều Ba Vì, Hạt Quản lý Đê điều Sơn Tây, Trạm Thủy văn Sơn Tây và Công ty cổ phần Tập đoàn Xây dựng và Du lịch Bình Minh (đơn vị thi công) đã hỗ trợ và cung cấp số liệu cho tôi thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi muốn nói lời cảm ơn tới những người thân, các bạn bè và đồng nghiệp trong phòng Địa chất, Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện 1 đã luôn động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2019 Học viên Nguyễn Việt Hà MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 5 1.1. Tổng quan về các vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông ................................... 5 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .................................................................. 15 CHƯƠNG 2. CỞ SỞ TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 25 2.1. Cơ sở tài liệu .................................................................................................. 25 2.2. Phương pháp khảo sát, đo vẽ ngoài hiện trường .............................................. 25 2.3. Phương pháp xác định tính chất cơ lý của đất ................................................. 31 2.4. Phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm và mô hình số .......................... 36 CHƯƠNG 3. HIỆN TRẠNG, NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................................................................. 38 3.1. Hiện trạng sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu................................................. 38 3.2. Đặc điểm điều kiện cấu trúc bờ sông và nguyên nhân gây sạt lở bờ sông................ 47 3.3. Nguyên nhân kích hoạt và các cơ chế gây mất ổn định bờ sông ...................... 67 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ SÔNG .................................. 77 4.1. Tổng quan giải pháp công trình bảo vệ bờ sông .............................................. 77 4.2. Đề xuất giải pháp ............................................................................................ 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 105 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết và lý do lựa chọn đề tài Sạt lở bờ sông là một trong những loại hình tai biến địa chất đang diễn ra hàng ngày dọc các lưu vực sông, cuốn trôi nhà cửa và đất đai. Sạt lở bờ sông không những ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống nhân dân sinh sống ven bờ sông mà còn đe dọa đến vấn đề an toàn đê điều và hàng năm làm tiêu tốn ngân sách nhà nước. Những năm gần đây, ngoài các yếu tố thay đổi về khí hậu do hiện tượng thời tiết cực đoan, các công trình thủy lợi, thủy điện xây dựng ở thượng lưu sông Đà, sông Lô đã làm thay đổi chế độ dòng chảy tự nhiên của sông, giảm lượng phù sa đưa về hạ lưu, gây mất cân bằng bồi tích; Việc khai thác cát vượt mức cho phép làm thay đổi lòng dẫn; Các công trình chỉnh trị không có quy hoạch tổng thể dẫn đến thiếu hiệu quả và lãng phí đầu tư; Các công trình xây dựng dân dụng tự phát mọc lên không có quy hoạch và lấn chiếm hành lang thoát lũ đã dẫn đến tình trạng sạt lở bờ sông Hồng trở nên phức tạp. Đề tài “Nghiên cứu nguyên nhân gây mất ổn định bờ sông Hồng, đoạn từ K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, huyện Ba Vì, Hà Nội và đề xuất giải pháp gia cố” đã lựa chọn đoạn bờ sông nằm ngay hạ du của hợp lưu ba con sông: sông Thao, sông Đà và sông Lô, đây là nơi có chế độ thủy văn phức tạp, có ảnh hưởng của các hoạt động địa chất động lực mạnh, các công trình xây dựng ven bờ phát triển mạnh và đang lấn chiếm hành lang thoát lũ, hoạt động khai thác cát trái phép đang diễn ra hàng ngày và các công trình bảo vệ bờ sông chưa được thực hiện hoặc thực hiện theo phương pháp truyền thống chưa mang lại hiệu quả. Hàng năm đã xảy ra nhiều đoạn bờ sông bị sạt lở có cả nguyên nhân từ tự nhiên và các hoạt động của con người. Đặc biệt, sạt lở bờ sông ảnh hưởng trực tiếp đến các công trình của dân cư sinh sống hai bên bờ sông. Vì thế việc đánh giá hiện trạng, nghiên cứu nguyên nhân gây sạt lở là rất cần thiết làm cơ sở cho các giải pháp gia cố ổn định bờ sông, đánh giá an toàn hành lang thoát lũ, đảm bảo ổn định cho các công trình dân sinh và các công trình đê điều chống lũ trong phạm vi nghiên cứu. 1 2. Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, làm rõ nguyên nhân gây mất ổn định bờ sông đoạn K21+600 đến K26+500 và đề xuất giải pháp gia cố phù hợp bảo vệ bờ sông cho khu vực nghiên cứu. 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài là đoạn bờ sông dài gần 5 km, tương ứng K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, thuộc các xã Chu Minh, Đông Quang và Cam Thượng huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Tổng hợp, điều tra khảo sát, đánh giá hiện trạng bờ sông. Đặc điểm địa hình địa mạo, cấu trúc địa chất – địa chất công trình, địa chất thủy văn và các hoạt động của con người, ảnh hưởng đến quá trình phá hủy bờ sông: 1.1. Thu thập, tổng quan tài liệu liên quan về vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước. Tổng hợp những vấn đề lí luận về quá trình phá hủy bờ sông do các yếu tố như: chế độ mưa, chế độ thủy động lực (dao động mực nước nước sông và nước ngầm, vận tốc và lưu lượng dòng chảy, vận chuyển và lắng đọng trầm tích), sự thay đổi tính chất cơ lý của đất. Nhận định các yếu tố ảnh hưởng và các loại hình phá hủy bờ sông đoạn nghiên cứu. 1.2. Thu thập tài liệu về khu vực nghiên cứu: tài liệu địa chất, địa hình, số liệu quan trắc thủy văn, điều kiện khí hậu, lượng mưa, dao động mực nước sông và mực nước ngầm, vận tốc dòng chảy. 1.3. Tiến hành khảo sát thực địa, đánh giá hiện trạng, thí nghiệm hiện trường, thu thập và phân tích mẫu: - Khảo sát khu vực nghiên cứu, ghi nhận và mô tả hiện trạng bờ sông; - Xác định mặt cắt chuẩn và các vị trí khảo sát chi tiết phục vụ các mục tiêu nghiên cứu của đề tài; - Đo đạc các thông số địa hình bờ sông. 2 - Khoan địa chất công trình; đào hố; lấy các mẫu nguyên dạng, không nguyên dạng; mô tả cấu trúc địa tầng và thực hiện các thí nghiệm địa chất thủy văn, địa kỹ thuật tại hiện trường. 1.4. Phân tích các tính chất địa kỹ thuật trong phòng thí nghiệm 1.5. Lập mặt cắt địa hình dòng sông, bờ sông, vẽ các mặt cắt địa chất công trình đại diện. 1.6. Tổng hợp và đánh giá các hoạt động của con người trong khu vực nghiên cứu, ảnh hưởng đến ổn định bờ sông. Nội dung 2: Nghiên cứu xác định nguyên nhân và phân tích cơ chế gây mất ổn định bờ sông bởi sự thay đổi các yếu tố về dao động mực nước sông và nước ngầm, lượng mưa… Sử dụng mô hình số (SEEP/W và SLOPE/W trong Geoslope) nghiên cứu ổn định bờ sông với một số trường hợp khác nhau về đặc điểm địa chất công trình (loại đất, chiều dầy và tính chất cơ lý), tốc độ xói lở đất. Mô hình phân tích đánh giá ảnh hưởng của chế độ mưa ở một số kịch bản khác nhau về cường độ, thời gian, chu kỳ mưa. Đánh giá đồng thời các yếu tố tác động của mực nước sông và nước ngầm gây ra sự thay đổi tính chất cơ lý của đất, sự chênh áp lực. Các thông số và tính chất đất đã được xác định trong nội dung 1 phục vụ nội dung 2, bao gồm: Tính chất vật lý (thành phần hạt, độ ẩm, tỷ trọng), sức chống cắt, lực hút dính và hệ số thấm của đất. Kết quả phân tích là lập mối tương quan giữa hệ số an toàn của bờ sông (Factor of Safety, FOS) với các điều kiện khác nhau về địa hình bờ sông, sự dao động mực nước, tác động của mưa. Đánh giá lại ổn định bờ sông và kiểm toán lại hệ số an toàn với giải pháp gia cố đã đề xuất bằng phần mềm SLIDE của hãng Rocscience. Nội dung 3: Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ sông khu vực nghiên cứu. Dựa vào kết quả khảo sát và phân tích các điều kiện và nguyên nhân gây sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu, đánh giá được sự ảnh hưởng các yếu tố gây mất ổn định bờ sông để đề xuất giải pháp gia cố phù hợp cho đoạn bờ sông khu vực nghiên cứu. 3 5. Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về các vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu CHƯƠNG 2. CỞ SỞ TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cơ sở tài liệu 2.2. Phương pháp khảo sát, đo vẽ ngoài hiện trường 2.3. Phương pháp xác định tính chất cơ lý của đất 2.4. Phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm và mô hình số CHƯƠNG 3. HIỆN TRẠNG, NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1. Hiện trạng sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu 3.2. Đặc điểm điều kiện cấu trúc bờ sông và nguyên nhân gây sạt lở bờ sông 3.3. Nguyên nhân kích hoạt và các cơ chế gây mất ổn định bờ sông CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ SÔNG 4.1. Tổng quan giải pháp công trình bảo vệ bờ sông 4.2. Đề xuất giải pháp KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về các vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông 1.1.1. Cơ sở lý thuyết và các loại hình phá hủy bờ sông Hiện tượng phá hủy bờ sông là hiện tượng tự nhiên, thường xuyên xảy ra và có diễn biến hết sức phức tạp, nó phụ thuộc và chịu sự tác động của nhiều yếu tố nội sinh, ngoại sinh, như: điều kiện địa hình, đặc điểm địa chất, đặc điểm khí hậu thủy văn, hình thái sông, các yếu tố thủy lực dòng chảy và những tác động khác của con người, như: các công trình chỉnh trị trên sông, các công trình xây dựng ven sông, các hoạt động khai thác cát và các hoạt động giao thông thủy vv... Theo các nghiên cứu và mô tả về các loại hình phá hủy bờ sông (Watson AJ and Basher LR (2006), Nasermoaddeli MH (2011), Toan DT (2014)), thông thường có hai dạng phá hủy bờ sông: Sạt lở bờ sông do trọng lực và xói lở bờ kết hợp trượt lở bở sông do trọng lực. Các loại hình phá hủy bờ sông thường gặp trên thế giới được tổng hợp trong Bảng 1.1 và Bảng 1.2. Bảng 1.1. Các kiểu phá hủy bờ cơ bản (Watson AJ and Basher LR, 2006) Loại trượt Dòng chảy Đặc điểm vật liệu Điều kiện bão hòa Trượt nông Trọng lực Chậm Đất hạt mịn, đất dính yếu Bão hòa Trượt cung tròn Trọng lực Chậm Trượt phẳng Trọng lực Chậm Trọng lực Chậm Trọng lực Cơ chế Mô tả Lớp đất của vật liệu bờ trượt dọc mặt phẳng song song với bề mặt bờ sông Sự dịch chuyển sâu của vật liệu bờ Đất hạt mịn, đất dính Đất hạt mịn, đất dính Đất hạt mịn, đất dính Biến đổi Chậm Đất rời Khô Trọng lực Chậm Đất dính yếu Khô Bục đất Kết hợp Chậm Xói ngầm Kết hợp Chậm Xói hàm ếch Kết hợp Chậm Hỗn hợp Biến đổi Sập đổ khối đất trên hàm ếch Xói chân bờ Thủy lực Cao Thường đất không dính Bão hòa Xói và vận chuyển đất ở chân bờ tạo bờ dạng hàm ếch Dòng chảy ướt Dòng chảy khô Đất/đá đổ Bão hòa Bão hòa Đất hạt mịn, đất dính Xen kẽ hạt mịn và thô 5 Bão hòa Bão hòa theo dạng cung tròn Cả khối đất bờ sông trượt theo mặt phẳng Dòng chảy đất bão hòa Các vật liệu rời rơi/đổ xuống chân bờ sông Vật liệu rời hoặc khối đất/đá đổ xuống sông từ trên bờ vách đứng Khối đất nhỏ bị đẩy ra ngoài do áp lực nước lỗ rỗng và đẩy nổi Mất sức bền do dòng chảy ưu thế ở vùng có áp lực nước lỗ rỗng cao Bảng 1.2. Một số mô hình phá hủy bờ sông thường gặp Mô tả loại hình sạt trượt Dạng sạt lở do trọng lực Trượt nông: Hiện tượng trượt một lớp mỏng song song bề mặt bờ dốc. Xảy ra khi bờ sông có độ dốc vừa phải, độ dốc bờ lớn hơn góc nội ma sát. Trượt cung tròn: Với mặt trượt là một cung tròn, thường xảy ra tại các khu vực đất có liên kết chặt, bờ sông dốc, nước rút nhanh. Trượt phẳng: Hiện tượng trượt hoặc sạt đổ một khối lớn của bờ, xảy ra khi bờ có độ dốc lớn, vật liệu bờ có thành phần hạt mịn liên kết chặt. Khi bờ sông hình thành các vết nứt và cho phép nước mặt, nước sông chảy vào làm giảm độ ổn định của bờ gây nên hiện tượng trượt. Dạng kết hợp xói lở và trượt trọng lực Phá hủy bờ dạng hàm ếch: Hiện tượng xảy ra tại khu vực có bờ cao và có dòng chảy hoạt động. Dòng chảy làm chân bờ bị xói tạo ra những hàm ếch ngay tại chân bờ, bờ nhô ra chịu tác dụng của trọng lực vượt quá sức kháng cắt của đất và khối bờ nhô ra sẽ sập xuống. 6 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các nghiên cứu trên thế giới về ổn định bờ sông chủ yếu tập trung nghiên cứu cơ chế và quá trình phá hủy bờ sông, thông qua các yếu tố địa chất, thủy văn, động lực dòng chảy sông, quá trình dao động mực nước và dòng chảy ngầm. Tổng thể có thể chia các nghiên cứu thành hai nhóm đề tài: trượt khối và kết hợp xói vật liệu và trượt khối. Các nghiên cứu về trượt khối được phân tích dựa theo sự ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng dương và cột áp lực thủy tĩnh trong các nghiên cứu của Rinaldi và nnk (2008), Luppi và nnk (2009), hoặc của khe nứt và xói ngầm do dòng thấm trong nghiên cứu của (Fox và nnk. (2006, 2008, 2009), Chu-Agor và nnk. (2008). Các bài toán mô hình xói mòn đất được thực hiện với sự kết hợp trượt khối và xói mòn đất do tác động trực tiếp của dòng chảy được phân tích trong các nghiên cứu của Ning-Bo và nnk (2011), Samadi và nnk. (2013).  Ảnh hưởng của sự thay đổi mực nước sông và áp lực nước lỗ rỗng Các bài báo nghiên cứu về ổn định bờ sông ở Italia đã tập trung nghiên cứu các ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng, thay đổi tính chất đất đến ổn định bờ sông. Cơ chế các quá trình thay đổi được phân tích dựa vào các số liệu quan trắc dao động sức hút dính của đất, mực nước sông, chênh áp và cột áp thủy tĩnh (Rinaldi và nnk (2008), Luppi và nnk (2009)). Sức hút dính của đất thay đổi lớn theo mùa và theo từng đợt mưa lũ. Dao động mực nước sông, mực nước ngầm là những nguyên nhân cơ bản làm thay đổi sức hút dính, sau đó gây ảnh hưởng đến các tính chất độ bền của đất. Các yếu tố liên quan đến ổn định bờ sông, bao gồm: các chỉ tiêu kháng cắt, sức hút dính của đất; địa hình bờ sông và thay đổi tỷ số mực nước so với chiều cao bờ sông (Hw/H). Thay đổi áp lực nước lỗ rỗng được phân tích từ số liệu quan trắc và so sánh kết quả với các mô hình ở điều kiện thủy lực và bờ sông khác nhau. Kết quả phân tích sự thay đổi của hệ số an toàn (FOS) cho thấy khi mực nước sông dâng lên, sức hút dính giảm nhưng FOS tăng. Ngược lại khi mực nước sông hạ xuống, 7 sức hút dính tăng nhưng tăng đến giá trị thấp hơn trước mùa mưa lũ, FOS giảm bởi vì mất giá trị áp lực thủy tĩnh, FOS và Hw/H có mối tương quan theo đường thẳng.  Ảnh hưởng của áp lực dòng chảy ngầm Nhóm nghiên cứu Trường Đại học Oklahoma đã có các nghiên cứu cơ chế dòng chảy sông Mississippi và những ảnh hưởng tới ổn định bờ sông. Những nghiên cứu của nhóm này tập trung vào xói chân bờ do dòng thấm, làm sáng tỏ cơ chế thấm từ trong bờ ra phía sông và xây dựng các phương pháp xác định khoảng cách xói ngầm (Fox và nnk. (2006, 2008, 2009), Chu-Agor và nnk. (2008). Một loạt các thí nghiệm mô hình được xây dựng để nghiên cứu ảnh hưởng dòng thấm đến ổn định bờ sông, Fox và nnk. (2006) đã sử dụng thấm kế để xác định tốc độ xói ngầm ngoài hiện trường. (Hình 1.1) Hình 1.1. Thí nghiệm xác định tốc độ xói ngầm (Fox GA, 2006) Fox và nnk. (2007) phân tích vai trò của thành phần vật chất và địa tầng bờ sông trong việc kiểm soát dòng thấm, xác định mối tương quan giữa xói ngầm với lượng mưa, mực nước sông và với áp lực nước lỗ rỗng. Chu-Agor và nnk. (2008) là nghiên cứu xét đến nhiều yếu tố trong một bài toán: suy giảm độ bền của đất, thấm do chênh áp, cơ chế vận chuyển của hạt đất và xói ngầm dưới tác động dòng chảy ngầm và Samadi (2013) đã xây dựng mô hình hóa hiện tượng xói ngầm tại chân bờ trong phòng thí nghiệm (Hình 1.2) 8 Hình 1.2. Quá trình phá hủy bờ do thay đổi mực nước và xói chân bờ (Samadi, 2013) Kết quả chỉ ra rằng bờ sông trượt lở dạng kéo, hoặc bục xảy ra khi áp lực thấm lớn hơn sức bền của đất và vật liệu chân bờ bị xói xảy ra khi chênh áp dòng thấm lớn hơn sức bền ban đầu của khối đất, cuối cùng bờ sông bị sập phần phía trên do trọng lực. Chu-Agor và nnk. (2009) có nghiên cứu đầu tiên đề xuất phương pháp đánh giá mô hình quá trình xói ngầm chân bờ (Hình 1.3). Hình 1.3. Xây dựng quá trình xói chân bờ và mất ổn định bờ sông, Chu-Agor (2009) 9  Ảnh hưởng của dòng chảy sông đến quá trình xói chân bờ Darby và nnk. (2007) đã sử dụng lưới phần tử hữu hạn trong phần mềm GEOSLOPE để mô phỏng sự thay đổi hình dạng hàm ếch do xói mòn chân bờ trong quá trình nước sông dâng cao theo ý tưởng như của Chu-Agor và nnk. (2009). Kết quả các kịch bản xói mòn chân bờ được so sánh với nhau để chỉ ra vai trò quan trọng của xói mòn trong việc thay đổi địa hình bờ sông, dẫn tới sự sập đổ bờ. Mô hình này cũng được áp dụng trong nghiên cứu của Rinaldi và nnk (2008). Lợi thế của phương pháp này là mô hình có thể thực hiện với thông số đầu vào là lực cắt của dòng chảy tính toán từ mô hình thủy động lực. Trong đó, thể tích đất bị xói có thể tính và so sánh với số liệu thực nghiệm. Mô hình BSTEM (Bank Stability and Toe-Erosion Model) được sử dụng tính xói chân bờ do dòng chảy theo lý thuyết của Simon và nnk (2000). Mô hình phân tích ổn định bờ sông và xói chân bờ được phòng Nghiên cứu dịch vụ nông nghiệp của Mỹ xây dựng và phát triển (Hình 1.4) Hình 1.4. Mô hình BSTEM phân tích ổn định bờ sông và xói chân bờ, Simon (2000) BSTEM là mô hình rất hiệu quả, góp phần to lớn trong việc phân tích cơ chế của xói lở bờ sông. Trong mô hình này, khối lượng đất bị xói tại chân được xác định, 10 sau đó những ảnh hưởng dự đoán của việc xói tới ổn định bờ sông được phân tích. Mô hình này có một số giới hạn: mô hình không phân tích dạng trượt khối cung tròn, không mô hình hóa được sự biến đổi mực nước ngầm. Ảnh hưởng của dao động mực nước sông tới dao động mực nước ngầm không được phân tích trong BSTEM. Kết quả phản ảnh điều kiện thực tế một cách hạn chế, bởi vì thay đổi mực nước ngầm là số liệu nhạy cảm tác động đến áp lực nước lỗ rỗng. Các phương pháp nghiên cứu, kết quả nghiên cứu và hướng tiếp cận vấn đề sạt lở bờ sông trên thế giới sẽ góp phần xây dựng cơ sở lý thuyết cho đề tài này. Tình hình nghiên cứu trong nước Do đặc điểm địa hình địa mạo, Việt Nam hệ thống mạng lưới sông ngòi khá dày đặc. Ở đồng bằng Bắc Bộ có hai hệ thống sông chính là hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình. Lan tỏa khắp đồng bằng là các phụ lưu như: sông Đà, Thao, Lô, Hồng, Cầu, Thương, Lục Nam; các chi lưu như: Đuống, Thái Bình, Kinh Thầy, Kinh Môn, Lai Vu, Gùa, Mía, Mới, Luộc, Lạch Chay, Hoá, Trà Lý, Ninh Cơ v.v… Đồng bằng Nam Bộ có hệ thống sông Cửu Long và đồng bằng sông Đồng Nai, với hệ thống sông và kênh rạch chằng chịt với mật độ cao. Khu vực Miền Trung có sông Hương, sông Hàn, sông Lam, sông Ba, sông Thạch Hãn, sông Ngàn Sâu, sông Trà Khúc, sông Bến Hải, sông Thu Bồn, sông Gianh, sông Nhật Lệ... các sông ở Miền Trung chủ yếu bắt nguồn từ dãy Trường Sơn và đổ ra Biển Đông, các sông thường dốc và ngắn. Các hiện tượng liên quan tới sạt lở bờ sông ở Việt Nam đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trên các khía cạnh như tác động thủy động lực dòng chảy, chế độ xói lở - lắng đọng và vận chuyển trầm tích, các hiện tượng trượt lở, thấm và sụt lún đê…. Mỗi nghiên cứu đều đạt được những kết quả nhất định góp phần làm sáng tỏ các vấn đề liên quan. Trong nghiên cứu sạt lở bờ sông một cách tổng thể ở Việt Nam được thực hiện bởi các đề tài, dự án có quy mô lớn. Một trong đề tài lớn phải kể đến là “Dự án nghiên cứu phòng chống sạt lở bờ sông, bờ biển” của Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường, 2001; “Nghiên cứu đánh giá tai biến sạt lở bờ sông khu vực các tỉnh 11 miền núi phía Bắc. Đề tài nhánh thuộc Đề tài độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu đánh giá tổng hợp các loại hình tai biến địa chất trên lãnh thổ Việt Nam và các giải pháp phòng chống” của Viện Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Địa chất, 2005. Dự án đã thống kê toàn bộ thực trạng và nguyên nhân một cách tổng thể về hiện tượng sạt lở bờ sông giai đoạn trước 2001 cho các hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình ở Bắc Bộ, hệ thống sông Cửu Long ở Nam Bộ, hệ thống sông miền Trung ở Trung Bộ. Dự án đã chia sạt lở bờ sông theo mức độ gây ra thiệt hại đối với các lĩnh vực xã hội, kinh tế gồm các loại: Sạt lở ảnh hưởng đến đê điều; Sạt lở ảnh hưởng đến thành phố đô thị, khu dân cư, công trình kinh tế trên bãi sông và sạt lở ảnh hưởng đất canh tác và cây trồng trên bãi sông. Các nguyên nhân sạt lở bờ sông được phân tích gồm: do sự thay đổi khí hậu toàn cầu với nạn phá rừng đầu nguồn, do quy luật diễn biến tự nhiên của dòng sông, do cấu tạo lòng sông bởi các lớp đất mịn dễ bị xói lở, do việc lấn chiếm bãi sông làm thu hẹp diện thoát lũ, lũ chỉ tập trung vào lòng chính tốc độ dòng chảy tăng lên và dòng chảy công phá bờ sông mạnh hơn dẫn tới sạt lở bờ mạnh, do ảnh hưởng bởi điều tiết của các hồ chứa của các công trình thủy điện. Đề tài “Nghiên cứu đánh giá tai biến sạt lở bờ sông khu vực các tỉnh miền núi phía Bắc” được thực hiện năm 2005 đã thống kê được hiện trạng, phân tích được nguyên nhân và đã phân vùng nguy cơ tai biến sạt lở bờ sông toàn bộ các sông của các tỉnh miền núi phía Bắc trước 2005. Các hệ thống sông được nghiên cứu, bao gồm: sông Đà, sông Thao, sông Lô, sông Hồng, sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam. Hiện tượng xói lở bờ sông khá phổ biến, những đoạn có xói lở nghiêm trọng nhất là phần hạ lưu sông Thao (từ Hạ Hòa đến Bạch Hạc), phần sông Đà từ hạ lưu đập Hòa Bình đến hợp lưu sông Thao – Đà, trong đó đáng chú ý nhất là đoạn hợp lưu của ba sông Thao-Đà-Lô. Các tác nhân gây sạt lở bờ sông được nêu một cách tổng thể gồm các yếu tố cơ bản là do đặc điểm địa chất-địa mạo-tân kiến tạo, đặc điểm khí hậu, thủy văn, địa chất thủy văn, tính chất cơ lý đất đá cấu tạo bờ sông, do hoạt động của con người. Đề tài phân vùng sạt lở bờ sông theo mức độ phức tạp, gồm 4 mức: sạt lở rất mạnh, mạnh, trung bình và yếu. 12 Ở khu vực nghiên cứu, có một số nghiên cứu điển hình cho bờ sông Hồng khu vực Hà Nội, như: đề tài do PGS. TS. Đoàn Thế Tường (2007) chủ trì và đề tài do TS. Trần Văn Tư (2010) chủ trì và một số bài báo Nguyễn Văn Tá (2007), Nguyễn Công Kiên và Nguyễn Văn Tá (2011), Nguyễn Hồng Nam (2012)… phân tích nguyên nhân sạt lở bờ sông, hiện trạng các công trình bảo vệ bờ sông, đề xuất hành lang thoát lũ hai bên bờ sông Hồng, đoạn qua thành phố Hà Nội. Đề tài của Đoàn Thế Tường và nnk (2007) với tiêu đề “Đánh giá điều kiện Địa kỹ thuật Môi trường và kiến nghị phương hướng quy hoạch sử dụng đất hợp lý cho khu vực đới động ven sông Hồng trong phạm vi Tp. Hà Nội” nghiên cứu một cách tổng thể các hiện tượng địa chất công trình xảy ra khu vực đới động ven sông Hồng khu vực thành phố Hà Nội (cũ). Đề tài đã hệ thống lại hiện trạng bờ sông, hệ thống kỹ thuật đê, hiện trạng sử dụng đất và tình hình phát triển đới động. Phân tích đặc trưng và ảnh hưởng của các yếu tố, như: môi trường địa chất, thành tạo trầm tích bờ sông và bãi bồi, đặc trưng của thủy văn dòng chảy, cấu trúc bờ và địa hình địa mạo, tính chất cơ lý đất đá bờ sông, đánh giá ổn định tuyến bờ và lòng dẫn. Đánh giá khả năng ổn định bờ sông do sạt lở theo chỉ tiêu tích hợp các yếu tố điều kiện địa chất địa kỹ thuật gây sạt lở, đề tài này và các bài báo Nguyễn Văn Tá và nnk (2007) phân chia đới bờ khu vực nghiên cứu thành 4 vùng: sạt lở rất mạnh, sạt lở trung bình, sạt lở yếu và sạt lở rất yếu tương ứng vùng A rất kém, vùng B – kém, vùng C – trung bình, vùng D – tốt cho khu vực bờ sông Hồng địa phận Hà Nội (cũ). Đề tài do Trần Văn Tư và nnk (2010) về “Nghiên cứu đánh giá điều kiện địa chất công trình và dự báo khả năng xuất hiện các sự cố dọc tuyến đê sông Hồng thuộc địa phận Hà Nội“, tập trung vào đối tượng nghiên cứu là ổn định đê sông phạm vi toàn bộ thành phố Hà Nội mở rộng. Bài báo Trần Văn Tư và nnk (2011) đã nêu ra 6 loại hình sự cố cơ bản liên quan đến tai biến địa chất đê và bờ sông trong khu vực Sông Hồng, Hà Nội có: (i) Thấm, đùn sủi thân và nền đê, sự phát triển gia cường của biến dạng thấm dẫn đến lún sụt và vỡ đê. (ii) Hiện tượng xói lở bờ sông rất nghiêm trọng gây nên mất ổn định cho đê. (iii) Hiện tượng lún mặt đê quá mức cho phép gây ra sự lồi lõm mặt đê, làm khó khăn trong giao thông và làm tiền đề 13 cho các phá hỏng khác. (iv) Hiện tượng sạt trượt mái đê thậm chí cắt sâu vào thân đê và nền đê gây ra các phá huỷ thân đê. (v) Các tác động trực tiếp của hoạt động kiến tạo hiện đại, bao gồm: tác động từ từ và chấn động gây nên nứt đê. (vi) Nứt ngang đê và bãi sông kéo dài đến tận bờ sông. Một số nghiên cứu về tác động của động lực dòng chảy và các hoạt động của con người trong quá trình thay đổi lòng dẫn cũng được chú trọng. Trong các nghiên cứu đó, một số mô hình số như TREM, MIKE, HEC-RAS… thường được sử dụng như trong nghiên cứu của Nguyễn Tiền Giang và Hoàng Văn Đại (2011), Hoàng Văn Đại (2010), Nguyễn Tiền Giang và nnk (2010). Các nghiên cứu này phân tích quá trình diễn biến lòng dẫn của sông, phân tích so sánh trường vận tốc, quá trình bồi xói theo phương ngang giữa phương án chỉnh trị và phương án hiện trạng sử dụng mô hình biến đổi lòng dẫn hai chiều TREM, phân tích quan hệ giữa lưu lượng bùn cát và lưu lượng nước; phân tích các thế sông chủ đạo và xu hướng dịch chuyển lòng sông để dự đoán quá trình xói lòng sông và vận chuyển trầm tích. Các nghiên cứu đã chỉ ra được mối tương quan giữa động lực dòng chảy sông và quá trình xói lở, bồi lắng; đánh giá ảnh hưởng của các công trình chỉnh trị trên sông cũng như dự báo các hoạt động diễn biến lòng dẫn. Nguyễn Hồng Nam (2011) đã phân tích nguyên nhân sự cố trượt bãi sông Hồng từ K29+850 đến K30+050 đê Hữu Hồng, bằng sử dụng chương trình Plaxis, phân tích phần tử hữu hạn, mô phỏng ứng suất biến dạng. Kết quả phân tích đã chỉ ra nguyên nhân sạt trượt do hoạt động khai thác cát, cụ thể là do khối cát đắp cao tại bề mặt kè. Đề tài đang thực hiện tại khu vực nghiên cứu là đề tài “Nghiên cứu cơ chế quá trình phá hủy bờ sông Hồng khu vực Hà Nội do chế độ thủy động lực của sông trong mùa mưa phục vụ việc bảo vệ bờ sông và phát triển bền vững vùng ven sông”. Chủ nhiệm đề tài: TS. Dương Thị Toan thực hiện từ 2016 – 2019. Tổng quan các vấn đề, các phương pháp và kết quả của các nghiên cứu trên là nguồn tư liệu rất quý để áp dụng cho đề tài “Nghiên cứu nguyên nhân mất ổn định bờ 14 sông tương ứng đoạn từ K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, huyện Ba Vì, Hà Nội và đề xuất giải pháp gia cố” 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 1.2.1. Điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu Hà Nội nằm ở phía Tây Bắc đồng bằng châu thổ sông Hồng, tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam, Hòa Bình phía Nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên phía Đông, Hòa Bình cùng Phú Thọ phía Tây. Sau khi mở rộng địa giới hành chính năm 2008, thành phố có diện tích 3.324,92 km², nằm ở cả hai bên bờ sông Hồng, nhưng tập trung chủ yếu bên bờ hữu sông Hồng. Sông Hồng bắt nguồn từ Vân Nam Trung Quốc, chảy qua tỉnh Lào Cai - Yên Bái - Việt Trì - Hà Nội - Hưng Yên đổ ra biển Đông theo cửa Ba Lạt, phần chảy trên đất Việt Nam dài 541 Km. Sông Hồng có lưu lượng nước bình quân hàng năm rất lớn, tới 2.640 m³/s (tại cửa sông). Tuy nhiên, lưu lượng nước phân bổ không đều, về mùa khô lưu lượng giảm chỉ còn khoảng 700 m³/s, nhưng cao điểm mùa mưa có thể đạt tới 30.000 m³/s. Lượng phù sa của Sông Hồng rất lớn, trung bình mỗi năm khoảng 100 triệu tấn, khoảng gần 1,5 kg phù sa trên một mét khối nước. Sông Hồng là con sông lớn nhất chảy qua thành phố Hà Nội, với chiều dài khoảng 135 km, từ huyện Ba Vì đến huyện Phú Xuyên, góp phần quan trọng trong sinh hoạt đời sống cũng như trong sản xuất. Do lượng phù sa lớn mà lòng sông luôn bị lấp đầy khiến cho lũ lụt thường xuyên xảy ra, vì thế mà từ lâu hai bên bờ sông đã hình thành tuyến đê kiên cố, phòng tránh lũ lụt. Khu vực nghiên cứu là đoạn bờ sông Hồng, nằm ở ngay dưới hạ lưu của hợp lưu các sông Thao, Đà, Lô, tương ứng K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, thuộc địa phận các xã Chu Minh, Đồng Quang và Cam Thượng, huyện Ba Vì, Hà Nội (Hình 1.5). Đoạn bờ có chiều dài gần 5 km, đây là khu vực có chế độ dòng chảy thủy văn, thủy lực vô cùng phức tạp, phụ thuộc vào chế độ dòng chảy của 3 phụ lưu. Những năm gần đây, khu vực này thường xuyên xảy ra hiện tượng sạt lở, một số cung sạt đã 15 ăn sâu vào khu dân cư, ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt của nhân dân và uy hiếp an toàn tuyến đê Hữu Hồng. Hình 1.5. Vị trí đoạn bờ sông khu vực nghiên cứu – Nguồn google map. 1.2.2. Đặc điểm địa hình địa mạo và hình thái sông đoạn nghiên cứu Đặc điểm địa hình Phần lớn diện tích Hà Nội được cấu trúc bởi phù sa hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, nằm trong tam giác châu thổ, kéo dài từ Việt Trì ra tới biển. Nhờ phù sa bồi đắp, ba phần tư diện tích tự nhiên của Hà Nội là đồng bằng. Địa hình Hà Nội thấp dần theo hướng từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông với độ cao trung bình từ 5 đến 20 mét so với mực nước biển. Đồi núi tập trung ở phía bắc và phía tây thành phố, thuộc các huyện Sóc Sơn, Ba Vì, Quốc Oai, Mỹ Đức, với các đỉnh núi cao như Ba Vì (1.281 m), Gia Dê (707 m), Chân Chim (462 m), Thanh Lanh (427 m), Thiên Trù (378 m)... Khu vực nội thành có một số gò đồi thấp, như gò Đống Đa, núi Nùng.. Khu vực nghiên cứu cách thị xã Sơn Tây khoảng 8 km về phía Bắc – Tây Bắc, có địa hình tương đối bằng phẳng, theo bình đồ hiện trạng, có thể phân chia ra các dạng địa hình, như sau: - Địa hình tuyến đê: Tuyến đê Hữu Hồng đoạn qua khu vực nghiên cứu có độ cao mặt đê 20-21m và thấp dần về phía hạ lưu, chiều rộng mặt đê trung bình 10m đây là dạng địa hình nhân tạo, có cao trình cao hơn địa hình lân cận từ 6-12m. 16
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan