Luận văn thạc sĩ về dòng thấm và sự ổn định bờ sông trong vùng triều

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu dòng thấm và ổn định bờ sông trong vùng chịu ảnh hưởng triều, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Huỳnh Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Dòng Thấm Và Sự Ổn Định Của Bờ Sông Trong Vùng Chịu Ảnh Hưởng Triều
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH HÌNH
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn
• 1.3.1. Mục đích nghiên cứu
• 1.3.2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Dòng thấm không ổn định 1D
• 2.1.1. Phương trình dòng thấm không ổn định 1D
• 2.1.2. Phương pháp giải tích
• 2.1.3. Phương pháp sai phân hữu hạn
• 2.2. Dòng thấm không ổn định 2D
• 2.2.1. Đường cong đặc trưng đất – nước
• 2.2.2. Cơ sở lý thuyết của dòng thấm 2D
• 2.2.3. Giải bài toán thấm 2D bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 2.3. Lý thuyết tính toán ổn định mái dốc
• 2.3.1. Các giả thiết tính toán
• 2.3.2. Phương trình cân bằng mômen
• 2.3.3. Phương trình cân bằng lực
• 2.3.4. Phương trình cân bằng giới hạn tổng quát
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 3.1. Kết quả tính toán dòng thấm không ổn định với số liệu đo đạc tại Thanh Đa - Bình Lợi
• 3.1.1. Giới thiệu chung
• 3.1.2. Số liệu đầu vào
• 3.1.3. Kết quả tính toán dòng thấm 1D theo phương pháp giải tích
• 3.1.4. Kết quả tính toán dòng thấm 1D theo lời giải giải tích ở bài báo
• 3.1.5. Kết quả tính toán dòng thấm 1D theo phương pháp sai phân hữu hạn
• 3.1.6. Kết quả tính toán dòng thấm 2D theo phương pháp phần tử hữu hạn
• 3.1.7. So sánh kết quả tính toán dòng thấm theo các phương pháp
• 3.1.8. Kết quả tính toán ổn định mái dốc
• 3.2. Kết quả tính toán dòng thấm không ổn định với số liệu đo đạc tại Bình Đức – Long Xuyên
• 3.2.1. Số liệu đầu vào
• 3.2.2. Kết quả tính toán dòng thấm của phương pháp giải tích
• 3.2.3. Kết quả tính toán dòng thấm theo lời giải giải tích ở bài báo
• 3.2.4. Kết quả tính toán dòng thấm của phương pháp sai phân hữu hạn
• 3.2.5. Kết quả tính toán dòng thấm của phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Seep/w
• 3.2.6. So sánh kết quả tính toán giữa các phương pháp
• 3.2.7. Kết quả tính toán ổn định mái dốc
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về tình hình sạt lở bờ sông tại TP. HCM và ĐBSCL, nhấn mạnh sự nghiêm trọng của vấn đề này. Sạt lở bờ sông không chỉ gây thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến an toàn con người. Theo thống kê, nhiều vị trí bờ sông tại Cửu Long đã bị sạt lở nghiêm trọng, với hàng nghìn ngôi nhà và công trình bị ảnh hưởng. Đặc biệt, sạt lở bờ sông Sài Gòn và Cửu Long là những vấn đề cần được nghiên cứu và giải quyết. Mục tiêu của nghiên cứu này là tìm hiểu nguyên nhân và ảnh hưởng của dòng thấm không ổn định đến sự ổn định của bờ sông. Việc nghiên cứu này có thể giúp đưa ra các giải pháp hiệu quả nhằm giảm thiểu thiệt hại do sạt lở bờ sông.

1.1. Tình hình sạt lở bờ sông

Sạt lở bờ sông là hiện tượng phổ biến tại nhiều khu vực, đặc biệt là ở TP. HCM và ĐBSCL. Các nguyên nhân chính bao gồm dòng chảy trong sông, dòng thấm trong bờ, và sự khai thác vật liệu. Tại TP. HCM, sạt lở bờ sông gây ra thiệt hại lớn về đất canh tác và cơ sở hạ tầng. Tình hình sạt lở bờ sông Cửu Long cũng không kém phần nghiêm trọng, với nhiều vị trí bị sạt lở mạnh. Việc nghiên cứu và phân tích các nguyên nhân gây sạt lở là cần thiết để đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung vào các phương trình tính toán dòng thấm không ổn định 1D và 2D. Các phương pháp giải tích, sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn được trình bày chi tiết. Đặc biệt, phương pháp cân bằng giới hạn được sử dụng để tính toán ổn định bờ sông. Việc áp dụng các phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế dòng thấm và ảnh hưởng của nó đến sự ổn định của bờ sông. Các mô hình toán học được xây dựng nhằm giải quyết bài toán dòng thấm không ổn định, từ đó đưa ra các kết quả tính toán chính xác.

2.1. Dòng thấm không ổn định 1D

Phương trình dòng thấm không ổn định 1D được trình bày cùng với các phương pháp giải tích. Các phương pháp này giúp xác định sự phân bố áp suất nước trong đất bờ sông theo thời gian. Việc áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho phép tính toán chính xác hơn về dòng thấm trong các điều kiện không ổn định. Kết quả từ các mô hình này sẽ được so sánh với dữ liệu thực đo để kiểm tra tính chính xác và độ tin cậy của các phương pháp đã sử dụng.

III. Kết quả tính toán

Chương này trình bày kết quả tính toán dòng thấm không ổn định tại hai vị trí bờ sông. Các kết quả được so sánh với dữ liệu thực đo tại Bình Lợi và Bình Đức. Việc so sánh này giúp đánh giá độ chính xác của các mô hình toán học đã xây dựng. Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các phương pháp tính toán, từ đó đưa ra những nhận xét và kết luận về sự ổn định của bờ sông trong vùng triều. Những kiến nghị cũng được đưa ra nhằm cải thiện tình hình sạt lở bờ sông.

3.1. Kết quả tại Bình Lợi

Tại vị trí Bình Lợi, kết quả tính toán cho thấy dòng thấm không ổn định có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của bờ sông. Các phương pháp giải tích và sai phân hữu hạn cho kết quả tương đối gần nhau, tuy nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy độ chính xác cao hơn. Việc phân tích các kết quả này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của bờ sông, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sạt lở bờ sông là một trong những hiểm họa tự nhiên nghiêm trọng, làm biến dạng lòng dẫn, phá hủy cơ sở hạ tầng và đe dọa sinh mạng con người. Theo thống kê của Hội Kỹ sư Công chánh Hoa Kỳ, khoảng 16% (tương đương 925.000 km trên tổng số 5,63 triệu km) bờ sông tại Mỹ từng rơi vào trạng thái xói lở nghiêm trọng. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và Đồng bằng sông Cửu Long, tình trạng sạt lở diễn ra vô cùng phức tạp. Thống kê dọc tuyến sông Tiền và sông Hậu ghi nhận 68 điểm sạt lở trọng yếu (gồm 11 điểm sạt lở mạnh trên 10 m/năm và 32 điểm sạt lở trung bình từ 5 đến 10 m/năm), sau đó nhanh chóng tăng lên hơn 100 điểm với tổng chiều dài xói lở vượt mốc 80 km, làm sụp đổ hơn 3.000 ngôi nhà và phá hủy 6 làng mạc ven sông.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi xuất phát từ thực tế thủy lực phức tạp: chế độ bán nhật triều không đều từ Biển Đông truyền sâu vào nội đồng với biên độ triều dao động từ 1,0 m đến 3,0 m, tạo ra sự thay đổi mực nước liên tục và hình thành dòng thấm không ổn định bên trong thân bờ. Vào mùa lũ, vận tốc dòng chảy thực tế tại Tân Châu đạt 2,70 m/s và Long Xuyên đạt 1,90 m/s, vượt xa ngưỡng vận tốc không xói cho phép là 0,50 m/s của nền đất địa phương. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu bản chất dòng thấm không ổn định một chiều và hai chiều trong khối đất bờ sông dưới tác động của dao động thủy triều, từ đó đánh giá định lượng mức độ suy giảm ổn định mái dốc bờ sông theo thời gian.

Nghiên cứu tập trung vào hai địa bàn trọng điểm: bờ kênh Thanh Đa - Bình Lợi trên sông Sài Gòn (Thành phố Hồ Chí Minh) và khu vực Bình Đức trên sông Hậu (Thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang) trong chu kỳ quan trắc liên tục từ 12 đến 24 giờ. Kết quả cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp các đơn vị quản lý đê kè và giao thông thủy giảm thiểu tối đa rủi ro tai biến địa chất công trình ven sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hệ thống lý thuyết thủy lực ngầm và cơ học đất không bão hòa tiên tiến, bao gồm:

1. Phương trình dòng thấm không ổn định 1D Boussinesq tuyến tính hóa: Dựa trên phương pháp chuyển đổi biến số của Bagrov-Verigin, phương trình phi tuyến đạo hàm riêng được đưa về dạng phương trình truyền nhiệt vi phân thuần nhất bậc hai $U_t = a U_{xx}$ với thế năng dòng thấm $U = H^2 / 2$ và hệ số dẫn mực nước $a = K \bar{H} / S_s$ (trong đó $K$ là hệ số thấm bão hòa, $S_s$ là hệ số nhả nước trọng lực, $\bar{H}$ là chiều sâu nước trung bình).
2. Cơ học đất không bão hòa và Đường cong đặc trưng đất - nước (SWCC): Mối quan hệ giữa độ ẩm thể tích $\theta$, hệ số thấm $k(u_w)$ và áp lực nước lỗ rỗng âm (độ hút dính ma-trích $u_a - u_w$) được mô tả thông qua mô hình toán học Fredlund & Xing cùng hàm thấm van Genuchten, phản ánh chính xác trạng thái thay đổi liên tục của đất bờ sông khi triều lên và triều rút.
3. Lý thuyết cân bằng giới hạn tổng quát (LEM) và định luật chống cắt Mohr - Coulomb mở rộng: Độ bền chống cắt của đất có xét đến áp lực nước lỗ rỗng được biểu diễn qua phương trình $\tau_f = c' + (\sigma_n - u_w)\tan\phi'$, kết hợp với các phương pháp lát cắt phân tố của Bishop đơn giản hóa và Morgenstern - Price để xác định hệ số an toàn ổn định $FS$.

Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết bài toán dòng thấm và ổn định bờ sông một cách khoa học, nghiên cứu đã triển khai tổ hợp các phương pháp:

• Thiết lập lưới quan trắc hiện trường: Cỡ mẫu đo đạc bao gồm hệ thống 6 ống đo áp tại trạm Thanh Đa - Bình Lợi (bố trí cách mép bờ từ 0 m, 1 m, 2 m, 3 m, 5 m đến 8 m) và 7 ống đo áp tại trạm Bình Đức - Long Xuyên (khoảng cách từ 0 m, 1 m, 3 m, 6 m, 9 m đến 13 m). Tần suất thu thập dữ liệu mực nước và cột áp được thực hiện liên tục từng giờ trong chu kỳ 12 đến 24 giờ.
• Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) sơ đồ ẩn: Giải phương trình vi phân thấm 1D với điều kiện biên mái nghiêng di động chuyển dịch theo pha triều. Thuật toán ma trận ba đường chéo Thomas được lập trình tự động, đảm bảo tính ổn định vô điều kiện và hội tụ nghiệm số.
• Mô hình hóa phần tử hữu hạn 2D kết hợp cân bằng giới hạn: Ứng dụng phần mềm chuyên dụng SEEP/W để mô phỏng trường áp lực nước lỗ rỗng biến đổi theo thời gian thực ($t = 1\text{h}, 12\text{h}, 24\text{h}$), sau đó truyền trực tiếp dữ liệu trường thấm sang phần mềm SLOPE/W nhằm phân tích hệ số an toàn trượt mái dốc bờ sông. Lý do lựa chọn tổ hợp phần mềm này là khả năng liên kết liền mạch giữa thủy lực ngầm không bão hòa và biến dạng cơ học mái dốc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán mô hình và đối chiếu dữ liệu thực nghiệm đã chỉ ra các phát hiện cốt lõi:

• Hiện tượng trễ pha mực nước ngầm trong bờ: Mực nước ngầm trong khối đất bờ sông luôn có độ trễ pha rõ rệt so với dao động mực nước sông ngoài biên. Tại khoảng cách $x = 1\text{m}$ đến $x = 3\text{m}$ tính từ mép bờ, đỉnh và đáy của đường bão hòa trong đất xuất hiện chậm hơn mực nước triều ngoài sông từ 1,5 đến 2,5 giờ. Hiện tượng trễ này giảm dần khi đi sâu vào bờ trên 8 m.
• Độ chính xác vượt trội của mô hình sai phân và phần tử hữu hạn: So sánh với chuỗi số liệu thực đo tại hai trạm quan trắc, nghiệm giải tích tuần hoàn thuần túy cho sai số biên độ từ 15% đến 22% do không mô tả được tính chất bất đối xứng của bán nhật triều không đều. Ngược lại, phương pháp sai phân hữu hạn và mô hình phần tử hữu hạn SEEP/W cho đường cong mực nước đo áp bám sát thực tế với độ sai lệch trung bình dưới 5% đến 7%.
• Sự suy giảm đột ngột của hệ số ổn định khi triều rút kiệt: Hệ số an toàn ổn định mái dốc $FS$ biến thiên theo dạng hàm sóng ngược pha với dao động triều. Khi mực nước sông ở đỉnh triều, áp lực nước bên ngoài đóng vai trò gia tải giữ bờ, hệ số $FS$ đạt giá trị an toàn cao nhất từ 1,48 đến 1,62. Tuy nhiên, khi triều rút nhanh về mức thấp nhất ($t = 12\text{h}$ đến $15\text{h}$), hệ số $FS$ giảm mạnh từ 25% đến 35%, chạm ngưỡng nguy hiểm cục bộ ($FS = 1,08$ đến $1,15$), kích hoạt các mặt trượt cung tròn sâu.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây mất ổn định bờ sông chịu triều được giải thích bằng sự tương tác thủy-cơ: Khi triều rút nhanh, khối nước sông bên ngoài hạ thấp làm biến mất hoàn toàn áp lực thủy tĩnh trợ lực lên mái bờ. Trong khi đó, do tính thấm của đất sét và đất thịt pha cát tại khu vực Bình Lợi và Bình Đức có hệ số thấm hữu hạn ($K \approx 10^{-5}$ đến $10^{-6}\text{ m/s}$), nước ngầm bên trong thân bờ không kịp thoát ra ngoài, duy trì một cột áp thủy lực cao kèm áp lực nước lỗ rỗng dương lớn. Điều này tạo ra gradient thủy lực thấm $J_{max}$ hướng từ trong bờ ra sông, làm giảm ứng suất pháp hữu hiệu $\sigma_n'$ và gia tăng ứng suất cắt trượt $\tau$.

Kết quả này củng cố các nghiên cứu của Lê Văn Dực về tam giác thấm nguy hiểm cũng như các đánh giá của Massimo Rinaldi về sự biến đổi ứng suất cắt ngầm. Để trực quan hóa dữ liệu trong thực tế thiết kế, các biến thiên cột nước áp lực theo khoảng cách không gian $x$ được thể hiện qua các đồ thị phân bố mặt viễn tuyến thấm, kết hợp bảng ma trận so sánh hệ số an toàn $FS$ tương ứng với 24 mốc thời gian trong ngày. Biểu đồ đường kép biểu diễn đồng thời đường mực nước triều và đường biến thiên $FS$ là công cụ cảnh báo trực quan thời điểm dễ xảy ra sạt lở nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận định lượng về tác động của dòng thấm triều, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất nhằm nâng cao độ an toàn cho các tuyến bờ sông:

1. Thiết lập mạng lưới quan trắc tự động áp lực nước lỗ rỗng và cảnh báo sớm: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Sở Tài nguyên Môi trường cần triển khai lắp đặt trạm cảm biến áp lực ngầm tại 15 vị trí bờ sông xung yếu thuộc bán đảo Thanh Đa và hạ lưu sông Hậu trong giai đoạn 2024-2025, hướng tới mục tiêu giảm 45% các sự cố sạt lở bờ đột ngột nhờ cảnh báo trước 3 đến 6 giờ khi triều kiệt.
2. Ứng dụng giải pháp tiêu thoát nước áp lực kết hợp kè mềm giảm áp: Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy công cần đưa hệ thống rãnh lọc tầng ngược cát sỏi hoặc bấc thấm ngang vào kết cấu kè bờ sông. Giải pháp này giúp hạ nhanh đường bão hòa trong thân đất khi triều rút, giảm gradient thấm xuống dưới ngưỡng cho phép $J \le 0,25$, dự kiến hoàn thành thí điểm trên 5 km đê kè trong vòng 18 tháng.
3. Bắt buộc kiểm toán ổn định bờ sông theo trạng thái dòng thấm động: Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cùng các cơ quan thẩm định xây dựng cần ban hành quy định bắt buộc sử dụng các mô hình liên hợp SEEP/W và SLOPE/W trong tính toán đê kè vùng triều. Tiêu chuẩn thiết kế phải đảm bảo hệ số ổn định $FS \ge 1,30$ tại thời điểm bất lợi nhất ứng với mực nước triều kiệt lịch sử.
4. Kiểm soát nghiêm ngặt tải trọng đỉnh bờ và nạo vét lòng sông: Ủy ban nhân dân các địa phương ven sông cần rà soát quy hoạch xây dựng, cấm tuyệt đối việc chất tải công trình nặng trong phạm vi hành lang bảo vệ cách mép bờ từ 15 m đến 25 m, đồng thời xử lý triệt để nạn khai thác cát lậu nhằm giữ ổn định hình học chân mái dốc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cho bốn nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, cảng - đường thủy: Tiếp cận trực tiếp thuật toán mô phỏng dòng thấm không ổn định và quy trình kiểm tra ổn định bờ dốc chịu triều, hỗ trợ tính toán kết cấu kè bờ chống sạt lở chính xác và kinh tế hơn.
• Cán bộ quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Nắm bắt cơ chế và thời điểm sạt lở nguy hiểm nhất trong chu kỳ con nước để xây dựng kịch bản ứng phó, lập bản đồ phân vùng rủi ro tai biến ven sông Sài Gòn và sông Cửu Long.
• Nhà khoa học, giảng viên chuyên ngành Địa kỹ thuật - Thủy văn: Sử dụng tài liệu như một nguồn tham khảo chuẩn mực về ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn và mô hình phần tử hữu hạn trong cơ học đất không bão hòa.
• Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật xây dựng công trình: Học hỏi phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết vi phân, công cụ số hóa trên máy tính và dữ liệu quan trắc thực địa.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao sạt lở bờ sông vùng triều thường xảy ra vào thời điểm triều rút kiệt thay vì lúc triều cường?

Khi triều rút nhanh, mực nước ngoài sông hạ thấp làm mất lực ép giữ của khối nước lên mái bờ, trong khi nước ngầm trong đất thoát ra chậm. Sự chênh lệch mực nước sinh ra áp lực dòng thấm và gradient thủy lực hướng ra ngoài, làm giảm sức kháng cắt của đất và khiến bờ sụp đổ khi hệ số $FS$ rơi xuống mức cực tiểu.

Điểm khác biệt cơ bản giữa phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp giải tích trong bài toán thấm triều là gì?

Phương pháp giải tích buộc phải đơn giản hóa biên triều thành dạng sóng hình sin chuẩn tắc vô hạn, dẫn đến sai số lớn khi gặp bán nhật triều không đều thực tế. Phương pháp sai phân hữu hạn cho phép nạp trực tiếp chuỗi số liệu đo thực tế từng giờ vào điều kiện biên mái nghiêng, mang lại độ chính xác cao hơn rõ rệt.

Phần mềm SEEP/W và SLOPE/W liên kết với nhau như thế nào khi giải bài toán ổn định bờ sông?

SEEP/W giải phương trình dòng thấm 2D không ổn định để xác định chính xác trường áp lực nước lỗ rỗng âm và dương theo từng bước thời gian. Dữ liệu này được nhập trực tiếp làm điều kiện đầu vào cho SLOPE/W để tính toán hệ số an toàn trượt $FS$ theo các phương pháp cân bằng giới hạn lát cắt.

Đường cong đặc trưng đất - nước (SWCC) đóng vai trò gì trong đánh giá ổn định bờ sông?

Đường cong SWCC mô tả mối quan hệ giữa độ ẩm thể tích và độ hút dính ma-trích trong đới đất chưa bão hòa phía trên mực nước ngầm. Khi triều lên xuống, thông số này quyết định tốc độ dẫn nước và sức kháng cắt bổ sung của đất, ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí cung trượt nguy hiểm.

Kết quả nghiên cứu tại Thanh Đa và Bình Đức có thể áp dụng cho các khu vực khác không?

Quy trình tính toán và mô hình số hóa hoàn toàn có thể chuyển giao áp dụng cho mọi hệ thống sông ngòi chịu ảnh hưởng triều khác. Tuy nhiên, người kỹ sư cần thay thế các thông số đầu vào cụ thể gồm đường cong thủy triều thực đo, hệ số thấm $K$ và chỉ tiêu cơ lý đất của từng vị trí khảo sát.

Kết luận

• Luận văn đã làm sáng tỏ bản chất cơ học của dòng thấm không ổn định và tác động suy giảm ổn định bờ sông dưới ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều không đều.
• Thiết lập thành công mô hình giải tích, thuật toán sai phân hữu hạn 1D và mô phỏng số 2D SEEP/W, chứng minh sai số mô hình số nhỏ hơn 7% so với thực đo tại Bình Lợi và Bình Đức.
• Xác định thời điểm nguy hiểm nhất của bờ sông xảy ra khi triều rút kiệt, làm hệ số an toàn $FS$ suy giảm từ 25% đến 35% so với đỉnh triều.
• Kế hoạch tiếp theo cần mở rộng quan trắc tự động đa điểm kết hợp xét đến tải trọng sóng do tàu thuyền và hiện tượng xói lở chân lòng dẫn trong giai đoạn 2024-2026.
• Các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn thiết kế cần tích hợp ngay phương pháp đánh giá dòng thấm động vào quy chuẩn thiết kế kè bảo vệ bờ sông nhằm bảo đảm an toàn hạ tầng và dân sinh bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan -6-  Ở phần trên của sông Cửu Long, nơi bị ảnh hưởng chủ yếu của dòng chảy thượng nguồn, sạt lở bờ sông thường xảy ra vào đầu mùa khô (tháng một, tháng hai) với sự trượt bờ khối lớn.  Ở phần dưới của sông Cửu Long, nơi bị ảnh hưởng chủ yếu bởi dòng triều, sự sạt lở bờ thường xảy ra trong thời kỳ triều cường, vào cuối mùa gió đông bắc hay đôi khi sau bão. Thiệt hại do sạt lở bờ ở phần này ít nghiêm trọng hơn ở phần trên.  Phần lớn đầu các cồn trên sông bị xói lở nhiều vào mùa lũ và đuôi cồn bị bồi lắng, làm cho cồn hình như bị dịch chuyển dần về phía hạ lưu.

 Trong những đoạn sông cong với hố sâu bên bờ lõm, khả năng sạt lở bờ là lớn. Phân tích sơ bộ nguyên nhân gây sạt lở bờ sông Hệ thống sông rạch ở TP. HCM và sông Cửu Long có hình dạng mặt bằng khá phức tạp và chịu ảnh hưởng triều. Dòng chảy trong sông luôn luôn là dòng không ổn định.

Lưu lượng dòng chảy lớn vào mùa lũ làm cho vận tốc dòng chảy tăng lên. Khi vận tốc này vượt quá so với vận tốc không xói cho phép của đất bờ sông thì hiện tượng sạt lở xảy ra.2 ghi một số giá trị của vận tốc dòng chảy trung bình max Vmax trong mùa lũ tại Tân Châu và Long Xuyên so với vận tốc không xói cho phép Vmax.3 cho những thông tin tương tự như trong mùa khô trong phần hạ lưu sông Cửu Long. Các giá trị Vmax được ước tính theo đồ thị do Hội Kỹ sư Công chánh Mỹ ASCE đề nghị 04 với các loại đất bờ sông tương ứng.2: So sánh giữa Vmax và Vmax trong mùa lũ Tân Châu Long Xuyên Vmax (m/s) 2,70 1,90 Vmax (m/s) 0,50 0,50 Chương 1: Tổng quan -7- Bảng 1.3: So sánh giữa Vmax và Vmax trong mùa khô Vĩnh Long Cần Thơ Vmax (m/s) 1,20 1,50 Vmax (m/s) 0,50 0,75 Dòng triều với chế độ bán nhật triều không đều truyền từ biển Đông (biên độ khoảng 3m) đến biên giới Việt Nam - Campuchia với biên độ giảm còn chừng một mét vào mùa khô. Ảnh hưởng của triều không những tạo ra sự thay đổi mực nước sông theo thời gian mà còn tạo ra dòng thấm không ổn định trong khối đất bờ sông, khiến nó khi ướt khi khô.

Điều này có thể làm giảm những tính chất vật lý và cơ học của đất bờ sông. Ảnh hưởng của dòng thấm không ổn định đến sự ổn định của bờ sông là điều cần được kiểm chứng. Tác động của sóng do gió và do tàu thuyền cũng là những yếu tố không thể bỏ qua đối với sự mất ổn định bờ sông, trong điều kiện sông có chiều rộng đáng kể và là đường giao thông thủy quan trọng trong vùng. Những vấn đề nêu trên chỉ là một số phân tích vĩ mô về nguyên nhân gây sạt lở bờ sông.

Đối với một vị trí cụ thể, còn cần phải nghiên cứu thêm các yếu tố cục bộ như dạng hình học của mái bờ, các tính chất cơ lý của đất, bán kính cong, thậm chí cả đến sự khai thác bừa bãi vật liệu ở đáy sông,. trước khi đưa ra một giải pháp kỹ thuật chỉnh trị sông thích hợp. Từ những hậu quả do sạt lở bờ sông gây nên, cần thiết phải nghiên cứu những nguyên nhân gây nên sạt lở để tìm phương hướng khắc phục. Ngoài những nguyên nhân kể trên thì nguyên nhân do tác động của dòng thấm không ổn định trong bờ sông có thể là một nguyên nhân cần được xem xét chi tiết.

Chính sự cấp thiết này luận văn đã đặt ra hai vấn đề: 1. Dòng chảy trong sông là dòng không ổn định thì dòng thấm trong bờ sông sẽ như thế nào? Chương 1: Tổng quan -8- 2. Nếu dòng thấm trong bờ sông là không ổn định thì có ảnh hưởng gì đến sự ổn định của bờ sông? Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu bước đầu hai vấn đề trên.3: Sạt lở bờ sông Swale ở Yorkshire – Anh Hình 1.4: Sạt lở bờ sông Hậu Chương 1: Tổng quan -9- Hình 1.5: Sạt lở bờ kênh Thanh Đa 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước Các bài toán về thấm và ổn định mái bờ trong trường hợp ổn định là những bài toán cổ điển. Tuy nhiên trong trường hợp không ổn định (như do chịu ảnh hưởng triều ở TP.

HCM và ĐBSCL) thì hiện chưa có nhiều nghiên cứu cả ở trong nước và ngoài nước. Dưới đây là một số nghiên cứu đã được tìm thấy trong các bài báo, tạp chí, sách vở trong thời gian vừa qua.1 Nghiên cứu trong nước a. Nghiên cứu dòng thấm không ổn định trong bờ sông vùng chịu ảnh hưởng triều [05] Tác giả: Huỳnh Thanh Sơn (ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh) Bài báo này tác giả trình bày nghiên cứu về dòng thấm không ổn định trong bờ  2 h S h sông vùng chịu ảnh hưởng triều với phương trình 1D có dạng: 2  , thông qua x T t việc so sánh kết quả đo đạc thực tế (sự thay đổi cột nước đo áp theo không gian và thời Chương 1: Tổng quan - 10 - gian) được thực hiện tại một vị trí sát bờ sông Hậu ở xã Bình Đức, TP.

Long Xuyên và mô hình tính toán (theo các phương pháp giải tích và sai phân hữu hạn). Từ các kết quả, phương pháp sai phân hữu hạn cho kết quả sát với thực tế đo đạc, còn trong phương pháp giải tích do điều kiện biên sông chỉ là hàm hình sin mô phỏng, sai biệt khá nhiều so với mực nước sông theo chế độ bán nhật triều không đều trong thực tế, do đó sử dụng kết quả của mô hình giải theo phương pháp sai phân hữu hạn làm cơ sở nghiên cứu sự ổn định bờ sông theo thời gian trong tương lai. Nghiên cứu ứng dụng và xây dựng giao diện cho một mô hình tính toán sạt lở bờ sông [06] Tác giả: Huỳnh Thanh Sơn – Lê Ngọc Khánh Nguyên (ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh) Trong bài báo này tác giả trình bày mô hình BSTE áp dụng vào việc phân tích bài toán sạt lở bờ sông trên cơ sở tính ổn định mái dốc có xét đến ảnh hưởng của dòng chảy, thực vật và một số công trình gia cố bờ.

Mô hình này áp dụng tại vị trí bị sạt lở trên bờ sông Hậu tại xã Bình Đức, TP. Long Xuyên, từ đó tìm ra hệ số FS để đánh giá sự ổn định của bờ sông. Mô hình BSTE có ưu điểm là ngoài việc tính ổn định theo kiểu trượt phẳng thông thường, mô hình còn cho phép tính trượt theo kiểu trượt hàm ếch, đồng thời có kể thêm sự xói lở chân bờ do dòng chảy gây ra cũng như tác động của dòng thấm trong bờ. Phương pháp tính toán dự đoán vùng thấm nguy hiểm trên mái đập đất chịu ảnh hưởng của thủy triều [07] Tác giả: Lê Văn Dực (ĐH Bách Khoa TP.

Hồ Chí Minh) Bài báo này nêu lên việc xác định vùng tam giác thấm nguy hiểm gây xói lở mái đập dưới tác động của thủy triều. Tác giả đưa ra phương trình liên tục và các giả thiết truyền dao động thấm để xác định vùng tam giác thấm nguy hiểm. Dùng phương pháp giải tích và phương pháp sai phân hữu hạn được lập trình trên EXCEL, tính toán và đưa ra kết quả mô phỏng. Chương 1: Tổng quan - 11 - Thí nghiệm số chỉ ra rằng sai số tổng lượng thấm trong một chu kỳ triều giữa phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp giải tích không quá 1.3%, sai số gradient thấm J cực đại không quá 12%.

Ngoài ra, sự phân tích ổn định của mái đập đất chỉ ra rằng: tình trạng thấm nguy hiểm xảy ra khi mực nước triều thấp nhất, tương ứng với Jmax. Đây là một trong những lý do quan trọng giả thích nhiều hiện tượng sạt lở bờ sông ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long trong thời gian qua. Đánh giá ảnh hưởng của tải trọng đỉnh bờ và mực nước sông đến ổn định bờ sông Sài Gòn khu vực Thanh Đa [08] Tác giả: Lê Văn Tuấn, Hoàng Văn Huân, Trần Thu Tâm (Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam, ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh).

Bài báo tập trung đánh giá ảnh hưởng do chất tải đỉnh bờ và mực nước triều ngoài sông tới ổn định đường bờ sông Sài Gòn khu vực bán đảo Thanh Đa. Từ kết quả nghiên cứu đưa ra kết luận như sau:  Mực nước sông ảnh hưởng khá rõ rệt đến ổn định bờ sông Sài Gòn khu vực Thanh Đa. Mực nước càng giảm thì ổn định bờ càng nhỏ. Sự bền vững của bờ sông phụ thuộc vào mối quan hệ của hai khối: khối mực nước và khối trượt.

 Tải đỉnh bờ là một trong những nguyên nhân gây nên sạt lở đất bờ sông Sài Gòn khu vực Thanh Đa. Tải trọng chất càng lớn và vượt quá tải trọng cho phép của đỉnh bờ sẽ gây nên sạt lở.2 Nghiên cứu ngoài nước a. Mô phỏng bằng số hóa mô hình thủy động lực học và xói bờ trong đoạn sông cong [09] Tác giả : Massimo Rinaldi, Beatrice Megoni, Laura Luppi, Stephen E. Darby, Erik Mosselman Bài báo này tác giả trình bày một mô hình thủy lực dựa trên những mô phỏng đã được thực hiện bởi Darby và các cộng sự nhưng được phát triển cao hơn đó là mô Chương 1: Tổng quan - 12 - phỏng mô hình thủy lực trong đoạn sông uốn cong từ đó tính toán mô hình không gian và biến đổi theo thời gian của ứng suất trượt và kết quả tác động đến sự ổn định bờ.

Tác giả đã áp dụng mô hình này ở dọc sông Cecina (Tuscany, Ý), được thực hiện bằng các phương pháp: Xây dựng mô hình thủy lực dựa trên việc sử dụng phần mềm DELFT3D nhưng thực hiện bài toán theo mô hình 2D thông qua hệ phương trình động lực 2D. Xây dựng mô hình bờ động gồm 3 mô hình con: Mô hình xói do dòng chảy để định lượng sự biến dạng chân bờ do tác động của thủy lực. Mô hình dòng chảy ngầm xác định những thay đổi trong phân bố áp lực nước lỗ rỗng của dòng chảy ngầm ảnh hưởng đến bờ. Mô hình ổn định bờ nhằm xác định những phá hoại bờ do những thay đổi hình học gây ra sự xói chân bờ hay sự thay đổi chiều dài trượt do sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng.

Ưu điểm của mô hình này là cố gắng kết hợp đầy đủ mô hình thủy lực và mô hình động của bờ sông nhằm đưa ra những kết quả tốt nhất về sự xói bờ trong một đoạn song cong.