Tổng quan nghiên cứu

Sông ngòi đóng vai trò thiết yếu trong đời sống và phát triển kinh tế-xã hội, cung cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu nông nghiệp, vận tải thủy và sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích to lớn, sông ngòi cũng gây ra nhiều tác hại như lũ lụt, biến đổi lòng dẫn, chuyển tải bùn cát và đặc biệt là sạt lở bờ sông. Tại Việt Nam, hiện tượng sạt lở bờ sông diễn ra nghiêm trọng ở nhiều địa phương như An Giang, Vĩnh Long, TP. Hồ Chí Minh, Thừa Thiên Huế và các tỉnh dọc sông Hồng, gây thiệt hại hàng trăm tỷ đồng mỗi năm. Ví dụ, vụ sạt lở tại cù lao An Bình (Vĩnh Long) năm 2012 đã cuốn trôi gần 8.000 m² đất và làm hư hại nhiều bè nuôi cá, thiệt hại ước tính gần 4 tỷ đồng.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng mô hình BSTEM (Bank Stability and Toe Erosion Model) do USDA-ARS phát triển nhằm tính toán ổn định bờ sông và dự báo sạt lở. Mô hình này được lựa chọn vì tính gọn nhẹ, miễn phí và có khả năng xét đến ảnh hưởng của dòng chảy và thời gian đến sự ổn định bờ. Nghiên cứu áp dụng mô hình BSTEM tại ba vị trí tiêu biểu ở đồng bằng sông Cửu Long gồm bờ sông Hậu (Long Xuyên, An Giang), bờ sông Tiền (cù lao An Bình, Vĩnh Long) và bờ kênh Thanh Đa (TP. Hồ Chí Minh). Mục tiêu là đánh giá độ ổn định bờ sông dưới các điều kiện mực nước sông và mực nước ngầm khác nhau, khảo sát độ nhạy các thông số mô hình và so sánh kết quả với phần mềm Geo Slope 2007. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo sạt lở, hỗ trợ quản lý và bảo vệ bờ sông, góp phần giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên cơ sở lý thuyết mô hình BSTEM phiên bản 5.4, bao gồm hai thành phần chính: mô hình ổn định bờ (Bank Stability Model - BSM) và mô hình xói lở chân bờ (Bank Toe Erosion Model - BTEM). Mô hình BSM sử dụng tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb mở rộng, xét đến lực dính hiệu dụng, áp lực nước lỗ rỗng, lực hút dính bám trong đất không bão hòa và tác động của dòng chảy. Hệ số an toàn (Fs) được tính dựa trên ba phương pháp cân bằng giới hạn: phương pháp lớp ngang, phương pháp cột đứng và phá hoại kiểu hàm ếch. Mô hình BTEM ước tính ứng suất cắt biên trung bình tác động lên chân bờ dựa trên bán kính thủy lực và độ dốc đáy lòng dẫn, từ đó tính toán tốc độ và chiều dài xói lở theo phương pháp ứng suất cắt dư.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hệ số an toàn Fs: Tỷ số giữa lực chống trượt và lực gây trượt, bờ sông ổn định khi Fs ≥ 1.
  • Ứng suất cắt tới hạn (τc): Giá trị ứng suất cắt tối đa đất có thể chịu được trước khi bị xói lở.
  • Lực hút dính bám (matric suction): Áp lực nước lỗ rỗng âm làm tăng lực dính biểu kiến của đất không bão hòa.
  • Hệ số khả năng xói lở (k): Tham số đặc trưng cho khả năng bị xói của vật liệu bờ sông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình toán kết hợp với thu thập và phân tích số liệu thực tế làm dữ liệu đầu vào. Cỡ mẫu gồm ba vị trí khảo sát tiêu biểu tại đồng bằng sông Cửu Long: bờ sông Hậu (Long Xuyên, An Giang), bờ sông Tiền (cù lao An Bình, Vĩnh Long) và bờ kênh Thanh Đa (TP. Hồ Chí Minh). Tại mỗi vị trí, số liệu địa hình, địa chất, thủy văn được thu thập chi tiết, bao gồm mặt cắt ngang bờ sông, đặc tính cơ lý đất, mực nước sông và mực nước ngầm.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên các vị trí có hiện tượng sạt lở nghiêm trọng và có số liệu đo đạc đầy đủ. Phân tích dữ liệu sử dụng mô hình BSTEM v5.4 trên nền tảng Excel, nhập liệu gồm biên dạng bờ, lớp đất, thông số dòng chảy, vật liệu bờ và các thông số xói lở. Kết quả tính toán hệ số an toàn Fs và chiều dài xói lở được so sánh với phần mềm Geo Slope 2007 để đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng của BSTEM.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2014 đến tháng 12/2014, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, tính toán và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ổn định bờ sông Hậu tại Long Xuyên: Hệ số an toàn Fs tính bằng BSTEM dao động từ 0,8 đến 1,2 tùy theo mực nước sông và mực nước ngầm. Khi mực nước sông tăng từ 1,67 m lên 2,67 m, Fs giảm khoảng 15%, cho thấy bờ sông kém ổn định hơn khi nước dâng cao. So sánh với Geo Slope, BSTEM cho kết quả tương đồng với sai số dưới 10%.

  2. Ổn định bờ sông Tiền tại cù lao An Bình: Fs thay đổi từ 0,75 đến 1,1 theo các trường hợp mực nước sông khác nhau. Khi mực nước ngầm tăng từ 0,6 m lên 1,4 m, Fs giảm khoảng 12%, phản ánh ảnh hưởng tiêu cực của mực nước ngầm cao đến ổn định bờ. Kết quả BSTEM và Geo Slope có sự chênh lệch nhỏ, BSTEM thể hiện ưu thế trong mô phỏng ảnh hưởng dòng chảy.

  3. Ổn định bờ kênh Thanh Đa, TP. Hồ Chí Minh: Fs dao động trong khoảng 0,7 đến 1,15, với hệ số an toàn giảm khi mực nước sông tăng hoặc mực nước ngầm cao hơn. Độ nhạy của các thông số như chiều dài đoạn sông khảo sát và bước thời gian tính toán cũng được xác định, cho thấy bước thời gian 3 giờ là phù hợp để cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán.

  4. Độ nhạy các thông số mô hình: Mực nước sông và mực nước ngầm là hai yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hệ số an toàn Fs, với mức độ ảnh hưởng lần lượt khoảng 15-20% và 10-12%. Chiều dài đoạn sông khảo sát và thời gian tính toán có ảnh hưởng nhỏ hơn nhưng không thể bỏ qua.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến hệ số an toàn Fs giảm khi mực nước sông và mực nước ngầm tăng là do áp lực nước lỗ rỗng tăng, làm giảm sức kháng cắt của đất và tăng nguy cơ trượt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về ảnh hưởng của thủy văn đến ổn định bờ sông. So sánh với phần mềm Geo Slope, mô hình BSTEM cho kết quả tương đối chính xác, đồng thời có ưu điểm xét đến tác động của dòng chảy và thời gian, điều mà Geo Slope chưa tích hợp đầy đủ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hệ số an toàn Fs theo thời gian và mực nước, cũng như bảng so sánh kết quả giữa BSTEM và Geo Slope tại các vị trí khảo sát. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự biến đổi ổn định bờ dưới các điều kiện thủy văn khác nhau và đánh giá độ tin cậy của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình BSTEM trong quản lý bờ sông: Khuyến nghị các cơ quan quản lý và kỹ sư thủy lợi sử dụng BSTEM để đánh giá ổn định bờ sông định kỳ, đặc biệt tại các khu vực có nguy cơ sạt lở cao nhằm dự báo và cảnh báo kịp thời.

  2. Tăng cường thu thập số liệu thủy văn và địa chất: Đề xuất xây dựng hệ thống quan trắc mực nước sông, mực nước ngầm và đặc tính đất bờ sông liên tục để cập nhật dữ liệu đầu vào cho mô hình, nâng cao độ chính xác dự báo trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Phát triển các biện pháp gia cố bờ sông phù hợp: Dựa trên kết quả mô hình, thiết kế các công trình kè, gia cố bằng vật liệu tự nhiên hoặc nhân tạo nhằm tăng hệ số an toàn Fs lên trên 1,2, giảm thiểu nguy cơ sạt lở trong vòng 3-5 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng mô hình: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật về ứng dụng BSTEM và các phần mềm liên quan, đảm bảo vận hành mô hình hiệu quả và chính xác trong công tác quản lý bờ sông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý thủy lợi và tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch và biện pháp phòng chống sạt lở bờ sông hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia xây dựng công trình thủy: Áp dụng mô hình BSTEM trong thiết kế, đánh giá và giám sát các công trình gia cố bờ sông, nâng cao chất lượng và độ bền công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp và kết quả nghiên cứu để phát triển các đề tài, luận văn liên quan đến ổn định bờ sông và mô hình toán.

  4. Các tổ chức tư vấn và doanh nghiệp xây dựng: Ứng dụng mô hình trong khảo sát, thiết kế và thi công các dự án chỉnh trị sông, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình BSTEM có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    BSTEM có ưu điểm gọn nhẹ, miễn phí, dễ sử dụng trên nền Excel và xét đến ảnh hưởng của dòng chảy cũng như thời gian đến sự ổn định bờ, giúp dự báo chính xác hơn so với các mô hình chỉ dựa trên cơ học đất thuần túy.

  2. Các thông số nào ảnh hưởng lớn nhất đến ổn định bờ sông?
    Mực nước sông và mực nước ngầm là hai yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗng và sức kháng cắt của đất, từ đó tác động trực tiếp đến hệ số an toàn Fs.

  3. Làm thế nào để thu thập dữ liệu đầu vào cho mô hình?
    Dữ liệu được thu thập qua khảo sát địa hình, đo đạc mực nước sông và mực nước ngầm, lấy mẫu và phân tích đặc tính cơ lý đất bờ sông, cùng với các thông số thủy văn liên quan.

  4. Mô hình có thể áp dụng cho những vùng nào?
    BSTEM phù hợp với các vùng sông ngòi có hiện tượng sạt lở bờ, đặc biệt là đồng bằng sông Cửu Long và các khu vực có điều kiện thủy văn và địa chất tương tự.

  5. Kết quả mô hình có thể dùng để thiết kế công trình gia cố bờ sông không?
    Có, kết quả hệ số an toàn và dự báo xói lở từ BSTEM giúp kỹ sư thiết kế các biện pháp gia cố phù hợp nhằm nâng cao độ ổn định và giảm thiểu sạt lở.

Kết luận

  • Luận văn đã ứng dụng thành công mô hình BSTEM v5.4 để tính toán ổn định bờ sông tại ba vị trí tiêu biểu ở đồng bằng sông Cửu Long, với kết quả phù hợp và có độ tin cậy cao.
  • Mực nước sông và mực nước ngầm là các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hệ số an toàn bờ sông, cần được quan trắc và quản lý chặt chẽ.
  • So sánh với phần mềm Geo Slope 2007 cho thấy BSTEM có ưu thế trong việc xét đến tác động của dòng chảy và thời gian, phù hợp cho dự báo sạt lở bờ sông thực tế.
  • Đề xuất áp dụng mô hình BSTEM trong quản lý bờ sông, tăng cường thu thập số liệu và phát triển các biện pháp gia cố phù hợp nhằm giảm thiểu thiệt hại do sạt lở.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu tại nhiều vị trí khác, cập nhật dữ liệu thực tế và đào tạo cán bộ kỹ thuật để nâng cao hiệu quả ứng dụng mô hình trong thực tiễn.

Hành động khuyến nghị: Các cơ quan quản lý và kỹ sư thủy lợi nên triển khai áp dụng mô hình BSTEM trong công tác dự báo và phòng chống sạt lở bờ sông nhằm bảo vệ tài nguyên đất đai và an toàn cộng đồng.