CHƯƠNG 1. Tổng quan về các vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông 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. Các kiểu phá hủy bờ cơ bản (Watson AJ and Basher LR, 2006) Loại Dòng Đặc điểm Điều kiện Cơ chế Mô tả trượt chảy vật liệu bão hòa Đất hạt mịn, Lớp đất của vật liệu bờ trượt dọc Trượt nông Trọng lực Chậm Bão hòa mặt phẳng song song với bề mặt bờ đất dính yếu Trượt cung Đất hạt mịn, sông Sự dịch chuyển sâu của vật liệu bờ Trọng lực Chậm Bão hòa tròn đất dính theo dạng cung tròn Đất hạt mịn, Cả khối đất bờ sông trượt theo mặt Trượt phẳng Trọng lực Chậm Biến đổi đất dính phẳng Dòng chảy Đất hạt mịn, Trọng lực Chậm Bão hòa Dòng chảy đất bão hòa ướt đất dính Dòng chảy Các vật liệu rời rơi/đổ xuống chân Trọng lực Chậm Đất rời Khô khô bờ sông Vật liệu rời hoặc khối đất/đá đổ Đất/đá đổ Trọng lực Chậm Đất dính yếu Khô xuống sông từ trên bờ vách đứng Đất hạt mịn, Khối đất nhỏ bị đẩy ra ngoài do áp Bục đất Kết hợp Chậm Bão hòa đất dính lực nước lỗ rỗng và đẩy nổi Xen kẽ hạt mịn Mất sức bền do dòng chảy ưu thế ở Xói ngầm Kết hợp Chậm Bão hòa và thô vùng có áp lực nước lỗ rỗng cao Xói hàm ếch Kết hợp Chậm Hỗn hợp Biến đổi Sập đổ khối đất trên hàm ếch Thường đất Xói và vận chuyển đất ở chân bờ Xói chân bờ Thủy lực Cao Bão hòa không dính tạo bờ dạng hàm ếch 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Một số mô hình phá hủy bờ sông thường gặp Dạng sạt lở do trọng lực Mô tả loại hình sạt trượt 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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. 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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.
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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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. Xây dựng quá trình xói chân bờ và mất ổn định bờ sông, Chu-Agor (2009) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 GEO- SLOPE 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. 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.