TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG XÓI LỞ, SẠT LỞ TẠI TỈNH ĐỒNG THÁP
Giới thiệu về tỉnh Đồng Tháp
1.1.1 Vị trí địa lý Đồng Tháp nằm ở miền Tây Nam Bộ, là một trong 13 tỉnh thuộc vùng Đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam Nằm kẹp giữa sông Tiền và sông Hậu, nằm trong giới hạn tọa độ 10 0 07’ - 10 0 58’ vĩ độ Bắc và 105 0 12’ - 105 0 56’ kinh độ Đông, phía Bắc giáp với tỉnh Prey Veng thuộc Campuchia, phía Nam giáp với tỉnh Vĩnh Long và thành phố Cần Thơ, phía Tây giáp với tỉnh An Giang, phía Đông giáp với tỉnh Long An và Tiền Giang Ngoài ra, tỉnh Đồng Tháp có đường biên giới giáp với Campuchia hơn 50km với 4 cửa khẩu, trong đó có 2 cửa khẩu quốc tế là Thường Phước và Dinh Bà
Hình 1.1 Bản đồ hành chính các tỉnh Đồng Tháp
1.1.2 Địa hình, địa mạo Địa hình tỉnh Đồng Tháp khá bằng phẳng theo xu hướng thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông Diện tích tự nhiên của tỉnh Đồng Tháp khoảng 3.374 km 2 , và được chia thành 2 vùng lớn: vùng phía Nam sông Tiền (có diện tích tự nhiên 73.074 ha, nằm giữa sông Tiền và sông Hậu); vùng phía Bắc sông Tiền (có diện tích tự nhiên 250.731 ha, thuộc khu vực Đồng Tháp Mười (ĐTM) ĐTM là vùng trũng (địa hình lòng chảo) dạng đồng lụt kín, bị ngập sâu trong mùa lũ, kém thoát nước, và trở thành vùng chịu ảnh hưởng nặng của phèn chua (Tăng Quốc Cương 2005)
1.1.3 Địa chất Đất đai tại tỉnh Đồng Tháp có thể chia làm 4 nhóm chính: nhóm đất phù sa (chiếm 59,06% diện tích đất tự nhiên), nhóm đất phèn (chiếm 25,99% diện tích đất tự nhiên), đất xám (chiếm 8,67% diện tích tự nhiên), nhóm đất cát (chiếm 0.04% đất tự nhiên) Ngoài ra, Đồng Tháp chủ yếu có: cát xây dựng các loại, phân bố ở ven sông, cồn hoặc các cù lao; sét gạch ngói có trong phù sa cổ, trầm tích biển, trầm tích sông, trầm tích đầm lầy phân bố rộng khắp trên địa bàn với trữ lượng lớn; sét cao lanh có nguồn gốc trầm tích sông, phân bố ở các huyện phía bắc tỉnh; than bùn có nguồn gốc trầm tích phân bố ở huyện Tam Nông, Tháp Mười với khoảng 2 triệu m 3
Bảng 1-1 Bảng chỉ tiêu cơ lý các lớp đất điển hình tại xã An Hòa, huyện Tam Nông, tỉnh Đồng Tháp (LAS – XD 475)
Các chỉ tiêu Sét pha
Dung trọng tự nhiên, γ w , kN/m 3 19,36 16,03 20,26 19,74
Chỉ số dẻo, PI, % 14,7 27,5 13,0 18,6 Độ ẩm, W, % 27,6 61,5 22,0 23,2
Mô đun biến dạng, E50, kN/m 2 2855 738 4916
Các chỉ tiêu Sét pha
Sét lẫn letarit (lớp 4) Độ pH (%) 7,79 7,43 7,64 -
Tỉnh Đồng Tháp có khí hậu nhiệt đới gió mùa với hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 và mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4.
Lượng mưa trung bình hàng năm ở Đồng Tháp dao động từ 1682 đến 2005 mm, với sự phân bố không đều qua các mùa Mùa mưa tại Đồng Tháp diễn ra từ tháng 5 đến tháng 11, chiếm tới 90-95% tổng lượng mưa trong năm Trạm đo Cao Lãnh ghi nhận lượng mưa ngày lớn nhất là 184 mm theo tiêu chuẩn QCVN 02:2009/BXD.
Bảng 1-2 Lượng mưa trung bình tháng (mm) quan trắc được tại trạm đoCao Lãnh
1.1.6 Độ ẩm Độ ẩm trung bình năm là 82,5%, số giờ nắng trung bình 6,8 giờ/ ngày
Hệ thống sông và kênh nội đồng ở Đồng Tháp chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chế độ thủy văn sông Tiền, với hai mùa rõ rệt trong năm Mùa lũ diễn ra từ tháng 9 đến tháng 12, trung bình mực nước tăng khoảng 3 đến 4 cm/ngày do lũ từ thượng nguồn sông Mê Kông Ngược lại, mùa khô kéo dài từ tháng 1 đến tháng 5, khi thủy văn trong khu vực bị ảnh hưởng bởi chế độ bán nhật triều của biển Đông, với mực nước thấp nhất ghi nhận khoảng +0.3 m Sự chênh lệch mực nước giữa mùa khô và mùa lũ dao động từ +4 đến +5 m.
Nước lũ hàng năm đổ vào Đồng Tháp chủ yếu qua hai nguồn: từ các vùng ngập lụt ở Campuchia (15-20% tổng lượng lũ) và từ thượng nguồn sông Mê Kông qua sông Tiền và sông Hậu (80-85% tổng lượng lũ) Trong đó, sông Tiền tiếp nhận gần 80% lượng nước, trong khi sông Hậu chỉ nhận khoảng 20% Đồng Tháp là một trong những tỉnh có diện tích lớn bị ngập lũ, với mức nước ngập cao trên 2 mét.
Tình hình xói lở và sạt lở tại tỉnh Đồng Tháp
Sông Tiền là một trong hai nhánh chính của hệ thống sông Mekong, chảy qua vùng hạ lưu sông Mekong tại Việt Nam Dài khoảng 122,9 km, sông Tiền đi qua 10 trong 12 huyện, thị xã, thành phố của tỉnh Đồng Tháp Bề rộng của sông thay đổi đáng kể, hẹp nhất là 450m ở An Long (huyện Tam Nông) và rộng nhất lên tới 2200m tại đầu cù lao Long Khánh.
Hình 1.1 Nhánh sông xói lở tại khu vực Đồng Tháp
Trong những năm đầu thế kỷ XXI, tình trạng xói lở bờ sông Tiền tại tỉnh Đồng Tháp diễn ra nghiêm trọng, với số điểm bị xói lở dao động từ 84 đến nhiều hơn, cho thấy mức độ ảnh hưởng lớn đến môi trường và đời sống người dân địa phương.
113 điểm, chiều dài bị xói lở hàng năm từ 23 – 106 km và quá trình xói lở vẫn có xu hướng gia tăng
Bảng 1-3 Tình hình xói lở bờ sông Tiền tỉnh Đồng Tháp giai đoạn 2000-2013
Năm Số xã, phường, thị trấn bị xói lở
Số điểm bị xói lở (điểm)
Chiều dài bị xói lở (km)
Diện tích bị xói lở (ha)
Hiện tượng xói lở trên sông Tiền tại tỉnh Đồng Tháp diễn ra phổ biến, với sự khác biệt rõ rệt giữa bờ trái, bờ phải và các bãi giữa như cồn, cù lao.
Bảng 1-4 Thống kê các khu vực xói lở lớn trên sông Tiền thuộc tỉnh Đồng Tháp
Huyện/ Thị xã/ Thành phố
Tốc độ xói lở (m/năm)
Bờ tả xã Thường Phước 1, 2 4900 20 – 30
2 Đầu cù lao Long Khánh xã Long 2200 15 – 20
3 Đầu cù lao Cái Vừng và bờ tả xã Long 3600 10 – 15
4 Bờ hữu cù lao Cái Vừng xã Phú Thuận 4000 5 – 7
5 Bờ tả xã Thường Lạc 2400 5 – 8
6 Đầu cù lao Tây xã Phú Thuận B 4000 20 – 30
7 Tx Hồng Bờ tả khu vực phường An Thạnh, An 1500 5 – 8
8 Tam Nông Bờ tả xã Phú Ninh 3500 5 - 8
9 Thanh Bình Bờ tả cù lao Tây xã Tân Quới 4000 5 – 8
10 Bờ tả xã Tân Thạnh 2700 5 – 6
11 Bờ tả thị trấn Thanh Bình 600 5 – 6
12 TP Cao Lãnh Đầu cồn Chải xã Tân Thuận Đông 5000 3 – 5
Huyện/ Thị xã/ Thành phố
Tốc độ xói lở (m/năm)
14 Lấp Vò Bờ tả xã Mỹ An Hưng A, B 7000 5 – 7
15 Cao Lãnh Bờ tả xã Mỹ Xương 1500 8 – 10
16 Bờ tả xã Bình Hàng Tây, Bình Hàng 3700 8 – 10
17 Bờ tả xã Bình Thạnh 3500 5
18 Sa Đéc Bờ hữu xã Tân Khánh Đông 2200 5 – 8
20 Châu Thành Bờ hữu xã An Hiệp 6000 20
Sông Tiền tại tỉnh Đồng Tháp có 20 khu vực xói lở, trong đó 13 khu vực nằm ở bờ trái, chủ yếu tập trung dọc theo đoạn sông từ biên giới đến thành phố.
Cao Lãnh; 3 khu vực xói lở trọng điểm thì có 2 khu vực thuộc bờ trái sông Tiền
Ngoài ra, các cù lao, bãi bồi nằm ở giữa sông, phân chia nước như cù lao Long
Khánh, cù lao Chải, cồn Chính Sách và cồn An Lạc đang trải qua hiện tượng xói lở ở đầu cù lao và bồi tụ ở phần cuối Tuy nhiên, khi các cù lao di chuyển đến vùng phân nhập lưu, hiện tượng bồi tụ ở đuôi không còn xảy ra, mà thay vào đó, đuôi của các cù lao, bãi bồi và cồn cát lại bị xói lở.
Hình 1.2 Xói lở do dòng chảy làm bào mòn chân mái bờ
Hình 1.3 Vỡ đê do lũ lớn tại kênh Cà Mũi, xã Tân Thành A, huyện Tân Hồng, tỉnh Đồng
Hình 1.4 Ảnh hưởng của dòng chảy lũ đến đất ven bờ
Tình hình sạt lở ở các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long đã trở nên nghiêm trọng từ đầu năm 2017, với mức độ sạt lở gia tăng nhanh chóng từ đê biển đến các tuyến sông Tiền và sông Hậu Các tỉnh như An Giang, Đồng Tháp, Bạc Liêu, Cà Mau, và Hậu Giang chịu ảnh hưởng nặng nề, đặc biệt là các huyện Hồng Ngự, Tam Nông, Thanh Bình, Lấp Vò, Châu Thành, cùng với thị xã Hồng Ngự, TP Cao Lãnh và TP Sa Đéc Sạt lở bờ sông đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng, gây ra nhiều thách thức cho các địa phương này.
Tình hình sạt lở bờ sông Tiền tại tỉnh Đồng Tháp đang diễn ra phức tạp, đặc biệt nghiêm trọng ở hai huyện Thanh Bình và Hồng Ngự, ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân và hạ tầng kinh tế - xã hội Tại xã Bình Thành, huyện Thanh Bình, một hố xoáy lớn trên sông Tiền, cách bờ 80m, sâu 36m, dài 440m và rộng 80-85m, đang đe dọa gần 1000 hộ dân.
STT Đơn vị hành chính
Số điểm sạt lở Chiều dài sạt lở (km)
Tốc độ sạt lở min-max (m/năm)
Hình 1.5 Vị trí các khu vực sạt lở bờ trên hệ thống sông ở ĐBSCL
1.2.3 Xã Long Thuận, huyện Hồng Ngự
Vào lúc 21h ngày 27/8/2017, một vụ sạt lở xảy ra tại ấp Long Thạnh, xã Long Thuận, với chiều dài 70m và ăn sâu vào đất liền 25m, dẫn đến tổng diện tích mất đất hơn 1700 mét vuông.
Hình 1.6 Sạt lở nghiệm trọng tại huyện Hồng Ngự
1.2.4 Cù lao Long Phú Thuận
Từ đầu năm 2017 đến giữa tháng 8/2017, xứ cù lao Long Phú Thuận, nằm bên bờ sông Tiền và thuộc các xã Long Thuận, Long Khánh, Phú Thuận A và Phú Thuận B, đã chứng kiến nhiều vụ sạt lở nghiêm trọng.
Tại xã Long Thuận, đã ghi nhận 6 vụ sạt lở đất, khiến khoảng 300.000m2 đất của người dân bị mất, ảnh hưởng đến 15 hộ gia đình và buộc phải di dời khẩn cấp Tổng thiệt hại tài sản ước tính gần 700 triệu đồng.
Vào chiều tối ngày 14/8/2017, tại cù lao Long Phú Thuận, huyện Hồng Ngự, Đồng Tháp, đã xảy ra một trận sạt lở nghiêm trọng, khiến 100m bờ sông bị cuốn trôi và xâm thực vào đất liền từ 15 đến 20m, tổng diện tích đất bị ảnh hưởng lên tới khoảng 2400 m².
Hình 1.7 Sạt lở gần 100m dài, ăn sâu vào đất liền 15m tại cù lao Long Phú Thuận
1.2.5 Xã Bình Thành, huyện Thanh Bình
UBND tỉnh Đồng Tháp đã ban bố tình trạng khẩn cấp do sạt lở bờ sông Tiền tại xã Bình Thành, huyện Thanh Bình, với đoạn sạt lở dài khoảng 210 m Khu vực này còn có nhiều đoạn sạt lở đe dọa Quốc lộ 30, con đường quan trọng nối thị xã Hồng Ngự với biên giới Campuchia Điểm sạt lở nằm ở ngã ba Cồn Én, nơi có đoạn sông cong với 3 hố xoáy sâu, lớn và nguy hiểm, cùng với dòng chảy đang hướng vào bờ, khiến nền đất yếu dễ bị sạt lở.
Hình 1.8 Xói lở nghiêm trọng của bờ sông Tiền tại xã Bình Thành, huyện Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp
Các nguyên nhân gây sạt lở
Hiện tượng sạt lở ở Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh Đồng Tháp, diễn ra phức tạp do ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên như thủy văn, địa hình và địa chất Bên cạnh đó, các hoạt động của con người như lưu thông thuyền và tăng tải trọng lên kết cấu thân đê cũng góp phần làm gia tăng tình trạng sạt lở.
Sạt lở thường xảy ra do tác động của dòng chảy tại các đoạn sông uốn cong, nơi hai nhánh sông hợp lưu, hoặc ở những khu vực lòng sông bị thu hẹp Những thay đổi về thủy lực này có thể dẫn đến việc xói mòn mái taluy của nền đường.
(2) Sự thay đổi mực nước sông và nước ngầm ảnh hưởng lớn đến sức chống cắt của mái đất
(3) Sự gia tăng tải trọng từ các hoạt động của con người góp phần tăng ứng suất cắt trong mái dốc dẫn đến gia tăng nguy cơ sạt lở
Hình 1.9 Sơ đồ tổng hợp các nguyên nhân gây mất ổn định bờ sông
1.3.1 Ảnh hưởng của địa hình
Các tuyến đường trên đê dọc bờ kênh hoặc bờ sông có nguy cơ xói lở cao tại những đoạn sông uốn cong, nơi nước đập vào bờ lõm, cũng như tại các vị trí hợp lưu của hai nhánh sông hoặc nơi dòng chảy bị chia tách Những yếu tố này làm thay đổi thủy lực sông, gây tác động xói mòn lên mái taluy nền đường, đặc biệt là ở những khu vực có lớp đất yếu, dẫn đến hình thành các hố xói sâu và tình trạng sạt lở.
1.3.2 Ảnh hưởng của nước mặt, nước ngầm và dòng chảy
Hệ thống đường kết hợp đê bao khu vực Đồng Tháp chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ chế độ thuỷ văn sông Mê Kông, đặc biệt trong mùa lũ khi mực nước dâng cao và dòng chảy mạnh gây xói mòn nền đường Sự phức tạp của dòng chảy tại các ngã ba sông và khúc cong tạo ra hố xói sâu, dẫn đến hàm ếch khi nước lũ thấm vào nền đường, làm giảm sức chống cắt và gia tăng tải trọng Sau mùa lũ, mực nước hạ thấp đột ngột gây mất ổn định cho nền đường do áp lực nước lỗ rỗng không kịp tiêu tan Tại các đoạn sông chịu ảnh hưởng của dòng chảy thượng nguồn và thủy triều, vận tốc dòng chảy lớn hơn mức cho phép dẫn đến việc bùn cát bị cuốn trôi, tạo ra hố xói cục bộ Qua thời gian, hố xói ngày càng sâu và rộng, làm mất ổn định bờ sông, có thể dẫn đến sạt lở nghiêm trọng, đặc biệt khi kết hợp với mưa lớn làm tăng tải trọng đất bờ.
Trong giai đoạn 2009-2013, tỉnh Đồng Tháp đã cấp phép khai thác trung bình 8 triệu m³ cát sạn mỗi năm, với hàng trăm ghe thuyền hoạt động trên sông Tuy nhiên, việc khai thác cát sạn không theo quy hoạch và tự phát đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, góp phần làm gia tăng tình trạng xói lở lòng sông Tiền.
Khai thác cát tràn lan là nguyên nhân chính dẫn đến việc sông Tiền và sông Hậu mất hơn 200 triệu khối cát trong 10 năm qua, làm lòng sông sâu thêm khoảng 1,3m Dự báo cho thấy lượng phù sa mịn sẽ giảm 50%, trong khi cát di chuyển ở đáy sông sẽ bị chặn hoàn toàn khi 11 đập thủy điện ở vùng hạ lưu sông Mê Kông được hoàn thành.
Khai thác cát sạn ở lòng sông, đặc biệt là đoạn hạ lưu sông Tiền, đã làm tăng tốc độ dòng chảy lũ do sự chênh lệch độ dốc giữa thượng lưu và hạ lưu Điều này cũng gây ra dòng chảy ngược của triều và làm thay đổi trắc dọc, trắc ngang tự nhiên của sông Hệ quả là sự biến đổi đường tụ thủy, dẫn đến dòng chảy bất thường, xói lở bờ nhanh chóng và mất đi quy luật tự nhiên.
1.3.4 Các hoạt động kinh tế - xã hội khác:
Sự phát triển kinh tế - xã hội dẫn đến nhu cầu sử dụng nước tăng cao, đặc biệt trong mùa khô Tuy nhiên, việc khai thác nguồn nước từ sông đang mâu thuẫn với nguồn cung cấp, làm giảm mực nước sông vào mùa kiệt Điều này khiến dòng triều di chuyển mạnh hơn, xâm nhập sâu hơn và gây ra biến động bờ.
Hoạt động nuôi trồng thủy sản trên sông Tiền đang gây ra những tác động tiêu cực đến dòng chảy tự nhiên Việc xây dựng hệ thống tưới tiêu không hợp lý dẫn đến tình trạng suy cạn mực nước vào mùa khô và làm thay đổi dòng chảy Bên cạnh đó, sự gia tăng số lượng và tải trọng của phương tiện đường thủy cũng tạo ra sóng vỗ mạnh vào bờ, ảnh hưởng đến môi trường Thêm vào đó, việc khai thác đất bờ sông càng làm trầm trọng thêm những vấn đề này.
Hoạt động con người đã làm gia tăng nguy cơ xói lở bờ sông theo hai hướng chính: tăng tải trọng trên bờ dẫn đến lực gây trượt mạnh hơn, và thay đổi sự phân bố cũng như kết cấu dòng nước, ảnh hưởng đến hình thái lòng sông như thế sông và độ dốc mái bờ, từ đó làm giảm lực chống trượt.
1.3.5 Kết cấu nền đường không ổn định
Hệ thống đường đê ven sông chống lũ thường được thi công đơn giản bằng cách sử dụng đất tại chỗ, nhưng khi thân đê có độ rỗng lớn, khả năng chịu lực và kháng lũ sẽ giảm, dễ dẫn đến xói lở và phá hoại Độ rỗng lớn cũng tạo điều kiện cho dòng thấm hình thành, và vào mùa lũ, dòng thấm với lưu lượng và vận tốc lớn có thể cuốn theo các hạt đất, gây ra sự phá hoại cục bộ và dẫn đến nguy cơ vỡ đê.
Các giải pháp phòng chống sạt lở ở tỉnh Đồng Tháp
Các giải pháp chống sạt lở đường ven sông tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long thường tập trung vào việc khắc phục hai nhóm yếu tố chính gây hư hại cho mái taluy, mái đường và đê ven sông.
Tại tỉnh Đồng Tháp, từ năm 1996 đến 1998, hệ thống đê bao Sa Rai dài khoảng 8.355 m được xây dựng để bảo vệ 325 ha thị trấn Sa Rai và làm đường giao thông nông thôn Đến năm 2009, tỉnh đã hoàn thành khoảng 2.188 km đường GTNT với bề rộng từ 4 đến 7 m, phần lớn được tôn cao vượt lũ và kết hợp làm đê bao chống lũ, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển kinh tế, bảo vệ tài sản và tính mạng người dân trong mùa lũ, cũng như đáp ứng nhu cầu đi lại và vận chuyển hàng hóa Kể từ khi Chính phủ phê duyệt phương án Quy hoạch kiểm soát lũ vùng ĐBSCL đến năm 2010 vào ngày 21/6/1991, Đồng Tháp đã tiến hành xây dựng hệ thống đê bao và đường GTNT, phân chia thành 2 khu vực kiểm soát lũ: vùng ngập nông dưới 1 m và vùng ngập sâu trên 1 m, thuộc phía bắc kênh Nguyễn Văn Tiếp.
Hình 1.10 Sơ đồ tổng hợp các giải pháp phòng chống sạt lở
Kết luận chương 1
Chương 1 tổng quan hiện trạng sạt lở, xói lở và đánh giá các nguyên nhân khách quan và chủ quan gây mất ổn định công trình tại tỉnh Đồng Tháp: ắ Dựa trờn cỏc túm tắt về điều kiện tự nhiờn của tỉnh cho thấy cỏc đặc điểm về khí hậu và đất đai tương đối thuận lợi cho phát triển nông nghiệp toàn diện, nhưng lại rất nghèo về tài nguyên khoáng sản nên việc xây dựng cơ sở hạ tầng đòi hỏi kinh phí rất cao Do đó, việc tận dụng các vật liệu tại chỗ là cần thiết ắ Sạt lở ở ĐBSCL núi chung cũng như tỉnh Đồng Thỏp núi riờng đều diễn ra rất phức tạp, nó là kết quả của quá trình tác động qua lại giữa các yếu tố: dòng chảy, lòng sông, điều kiện tự nhiên và tác động của con người,… ắ Xúi lở mạnh thường xảy ra ở đoạn khỳc sụng uốn cong, chỗ hợp lưu của hai nhánh sông hay khu vực lòng sông bị thu hẹp hình thành các hố xói sâu dẫn đến sạt lở Lũ là hiện tượng tất yếu của vùng, tuy mang nhiều lợi ích để phát triển nông nghiệp nhưng sự thay đổi mực nước mặt, vận tốc dòng chảy lớn và kết hợp với tác động của gió gây xói mặt taluy nền đường Ngoài ra, khi nước lũ thấm vào nền đường kết hợp với nước ngầm gây bão hòa đất Sau mùa lũ, mực nước mặt hạ thấp đột ngột làm áp lực ngang của nước giúp cân bằng nền đường giảm mạnh, kết hợp với áp lực nước lỗ rỗng thặng dư trong đất chưa kịp tiêu tan hết dẫn đến nền đường mất ổn định và bị phá hoại ắ Giải phỏp chống sạt lở làm đường giao thụng nụng thụn kết hợp đờ bao chống lũ đã và đang thực nghiệm ở nhiều vị trí trong tỉnh nhiều năm qua không còn hiệu quả, các sự cố vẫn xảy ra đột ngột như các hố xoáy sâu đe dọa đến tính mạng và tài sản người dân, diện tích đất trong vùng giảm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH XÓI LỞ DO DÒNG CHẢY VÀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BỜ SÔNG
Giới thiệu
Theo nghiên cứu của Theo Foster et al (2000), nguyên nhân gây phá hoại mái dốc bờ sông, mái taluy đường đắp, đê, đập được chia thành ba nhóm chính: xói ngầm, xói mặt và sạt lở Xói ngầm thường xảy ra do động đất và núi lửa, trong khi xói mặt do tác động của nước, mưa, băng, gió và con người Thống kê cho thấy hiện tượng mất ổn định do xói ngầm và xói mặt diễn ra với tần suất ngang nhau.
Hình 2.1 Biểu đồ tỷ lệ của hiện tượng xói lở và sạt lở (Foster et al., 2000)
Phá hoại công trình ven sông thường do nhiều nguyên nhân: sự xuất hiện vết nứt, sự đào bới của động vật, sạt lở, sự tràn và rút nước…
Hình 2.2 Các dạng phá hoại chính thường xảy ra ở đê, đập, đường đắp cao
Xói lở là quá trình địa chất làm thay đổi hình thái bờ sông, bao gồm mặt cắt và hình dáng bờ Hình dáng lòng sông thường xuyên biến đổi do tác động của sóng, thủy triều, và dòng chảy Các yếu tố vật lý và hóa học từ nước cùng vi sinh vật cũng ảnh hưởng đến đất đá bờ Bên cạnh đó, sự tích tụ vật liệu do phá hủy bờ và dòng chảy hướng đến cũng góp phần hình thành địa hình mới, làm thay đổi hình dạng bờ sông.
Xói lở chỉ có thể phát triển chỉ khi 2 yếu tố quan trọng này xảy ra: các phân tử hạt phải (a) được giật mạnh và (b) được dịch chuyển
Theo Fell and Fry (2007), xói lở có 4 dạng:
(a) Xói ngầm (ảnh hưởng đến kết cấu hạt)
(b) Phá hoại cục bộ trong đất dính (lỗ thủng, vết nứt)
(d) Xói lở do tiếp xúc giữa 2 lớp đất
Hình 2.3 Xói ngầm và mất ổn định kết cấu hạt (trái) và xói lở tại vị trí tiếp xúc giữa 2 lớp đất (phải)
Hình 2.4 Xói lở tạo lỗ thủng tập trung (trái) và xói lở chậm (phải)
Hình 2.5 Quy trình xói lở do tiếp xúc giữa 2 lớp đất (International Levee Handbook 2013)
Ảnh hưởng của thành phần hạt
Theo Kenney và Lau (1985), cấu trúc hạt đất có thể phân thành 2 nhóm: (a) kết cấu sơ cấp và (b) kết cấu thứ cấp
Kết cấu sơ cấp của đất bao gồm các hạt tiếp xúc với nhau, cung cấp sức kháng sơ cấp cho xói lở, cường độ chống cắt và khả năng chịu nén Sự ăn mòn các hạt này có thể làm thay đổi sức kháng của đất, dẫn đến nguy cơ phá hoại.
Kết cấu thứ cấp bao gồm các hạt nằm trong không gian của các hạt sơ cấp, và chúng có khả năng bị thay thế khi chịu tác động của ứng suất từ cơ học hoặc thủy lực.
Hình 2.6 Biểu đồ Hjulstrom thể hiện quan hệ tốc độ dòng chảy – kích thước hạt trong các điều kiện xói, vận chuyển, lắng đọng
Biểu đồ cho thấy rằng khi vận tốc tăng lên, các hạt lớn hơn bị cuốn ra khỏi đáy một cách mạnh mẽ Đối với kích thước hạt nhất định, cần một tốc độ lớn hơn để lôi cuốn hạt đó vào dòng chảy so với tốc độ cần thiết để vận chuyển nó Ở phía bên trái của biểu đồ, khi kích thước hạt giảm, tốc độ cần thiết để gây xói lại tăng lên do lực dính giữa các hạt sét, dẫn đến việc lôi cuốn cả các hợp thể hạt sét vào dòng chảy thay vì từng hạt riêng lẻ.
Tiêu chuẩn thành phần hạt mịn được thiết lập lần đầu tiên bởi Terzaghi vào năm 1922 tại Đức và tiếp tục được áp dụng ở Anh vào năm 1939 Dựa trên các thí nghiệm và kinh nghiệm thực tế, Terzaghi đã đưa ra hai tiêu chuẩn quan trọng.
Với D15 – cỡ hạt có 15% hạt mịn
Tuy nhiên, các nghiên cứu về sau đã đưa ra các giá trị khác như: Bertram
(1940) D 15 /d 85 < 6; Sherard et al (1984) D 15 /d 85 ≤ 5; Okita and Nishigaki (1993)
D 15 /d 85 < 7; Tomlinson and Vaid (2000) D 15 /d 85 < 8; Lafleur et al (1989) chấp nhận công thức của Terzaghi (1922) thêm hệ số an toàn xấp xỉ 2
Hình 2.7 Tiêu chuẩn thiết kế thành phần hạt mịn
2.2.1 Ảnh hưởng của đặc tính cơ lý đất đến xói lở
Các nghiên cứu của Temple và Hanson (1994), Briaud EFA (2006) và Wan và Fell (2002) cho thấy có mối liên hệ giữa ứng suất tới hạn và hệ số xói lở, cũng như giữa ứng suất tới hạn và chỉ số tốc độ xói Cụ thể, chỉ số tốc độ xói Ie tỷ lệ với log (τc), nghĩa là khi ứng suất tới hạn tăng, chỉ số tốc độ xói cũng gia tăng, dẫn đến hiện tượng xói lở diễn ra chậm hơn.
Theo Temple và Hanson (1994), cường độ xói lở phụ thuộc vào (1) trọng lượng khô của đất và (2) phần trăm hạt sét:
Tuy nhiên, các đặc trưng của đất như chỉ số dẻo, giới hạn dẻo, sức chống cắt và độ mặn lại không rõ ràng Những đặc tính này có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, do đó, việc xác định cường độ xói lở của đất không thể thực hiện chính xác chỉ bằng phép đại số như các trường hợp khác.
Fell đã thực hiện 18 thí nghiệm hố xói trên 9 mẫu đất khác nhau để xác định mối tương quan giữa thành phần hạt, ứng suất tới hạn và chỉ số xói lở Kết quả nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng xói mòn đất.
Bảng 2-1 Các thí nghiệm tốc độ xói với 9 mẫu đất khác nhau
Theo Wan (2006) và Fell et al (2008), tốc độ xói mòn đất được chia thành 6 cấp như bảng dưới đây:
Bảng 2-2 Mức độ xói lở đất
Tốc độ xói lở bờ sông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó ba yếu tố quan trọng nhất là dòng chảy, hình dạng lòng dẫn và tính ổn định của lòng dẫn Sự phức tạp của dòng chảy, đa dạng của lòng dẫn và tính đa dạng của đất bờ sông đã dẫn đến những cách đánh giá và biểu thị khác nhau về các yếu tố này trong các công thức kinh nghiệm của các nhà nghiên cứu.
Theo Ibadzade, tốc độ xói lở ngang của một đoạn sông cong chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng dòng chảy Q, bán kính cong R và chiều rộng lòng sông.
B và hệ số ổn định đất của bờ γ: Bxi = f (Q, Ri/Bi, γ)
- Bxi: Là tốc độ xói lở ngang (m/năm) tại mặt cắt thứ i
- Bxo: Là tốc độ xói lở ngang lớn nhất tại đoạn nghiên cứu (m/năm) trong quá khứ
- Ri: Bán kính cong tại mặt cắt thứ i (m)
Theo Pôpôp, Lê Ngọc Túy và một số tác giả khác đã đề cập đến ba yếu tố chính trong công thức kinh nghiệm tính tốc độ xói lở bờ sông, nhưng cách thể hiện các yếu tố này khác với Ibadzade Công thức của các tác giả này đều có dạng chung: max i xi max.
Công thức kinh nghiệm tính xói lở bờ của Pôpôp xây dựng từ tài liệu đo diễn biến xói lở nhiều năm trên các sông vùng Trung Á
Trong nghiên cứu về xói lở bờ, các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm diện tích khối đất bờ xói lở trong khoảng thời gian T năm (F, tính bằng m²), chiều dài đường bờ sạt lở của từng giai đoạn (L, tính bằng m), và thời gian xói lở (T, tính bằng năm) Ngoài ra, độ sâu lớn nhất tại mặt cắt tính toán thứ i (Hmax), độ sâu lớn nhất của đoạn xói lở nghiên cứu (Hmax), và độ sâu ổn định tại mặt cắt quá độ (Ho) cũng là các thông số cần thiết để đánh giá tình hình xói lở.
Công thức kinh nghiệm xây dựng từ tài liệu đo đạc bờ tả sông Tiền khu vực Thường Phước tỉnh Đồng Tháp:
Để đánh giá hiện tượng xói lở bờ sông do dòng chảy trong mùa mưa lũ, phương pháp của Hickin và Nanson (1984) được áp dụng Phương pháp này dựa trên phương trình cân bằng năng lượng, được thể hiện qua các công thức như B = 8.1 × Δ Δ⎡⎣ V T × ΔH ⎤⎦ (2.5).
Tốc độ sạt lở bờ (M(R/B)) được tính theo công thức với các yếu tố như bán kính cong (R), chiều rộng trắc diện ngang (B), trọng lượng riêng của nước (ρ), gia tốc trọng trường (g), độ dốc mặt nước (I), lưu lượng dòng chảy (Q), và độ sâu trung bình (h) Thông số GB phản ánh mức độ kiên cố của bờ sông, phụ thuộc vào đường kính hạt tạo bờ (d50) và các tính chất cơ lý của đất tạo bờ, được xác định theo bảng giá trị của Hickin và Nauson.
(1984), phục vụ việc tính toán dự báo sạt lở
2.2.2 Xói lở cục bộ trong đất dính khi chưa xuất hiện vết nứt
Hai hiện tượng xói lở chủ yếu xảy ra đối với các hạt đất của đất chưa nứt là xói lở chậm và xói ngầm
- Trong xói lở chậm, các hạt đất được tách ra khỏi bề mặt dòng chảy nhờ sự thấm ở bên ngoài
Xói ngầm tương tự như xói lở chậm, nhưng diễn ra khi các hạt thô tạo thành khung hạt, khiến hiện tượng xói lở chỉ ảnh hưởng đến các hạt mịn hơn nằm trong các lỗ rỗng giữa các hạt lớn hơn Ví dụ, các hạt lớn hơn có thể cản trở quá trình xói lở của các hạt nhỏ hơn, như đã được Kenney và Lau đề cập.
Năm 1985, một phương pháp đánh giá sự ổn định của đất bên trong đã được phát triển, dựa trên hình dạng các hạt thô và đường cong cấp phối với hàm lượng mịn thấp Tuy nhiên, phương pháp này không áp dụng cho đất sét Để mô tả đặc điểm của đất dính khi bắt đầu xói lở cục bộ, Reddi và các cộng sự (2000) đã phát triển một phương trình tính toán ứng suất cắt thủy lực τ.
Với Δp/L – gradient áp lực trung bình, λ – độ thấm bên trong, n – hệ số rỗng, k – độ thấm thủy lực, ηw và γw – độ nhớt nước và trọng lượng riêng
2.2.3 Tốc độ dòng chảy giới hạn gây xói
Ảnh hưởng của nồng độ bùn cát trong dòng chảy
Ảnh hưởng của nồng độ bùn cát trong dòng chảy có thể được chia làm 2 quá trình vật lý như sau:
Quá trình di chuyển của bùn cát gần đáy diễn ra qua cơ chế "nhảy" vào dòng chảy và chìm xuống, làm giảm vận tốc của lớp nước sát đáy do cần năng lượng để di chuyển bùn cát Hoạt động này được coi là tác động của lớp biên nhám phụ Nghiên cứu của Einstein và Ning Chen (1955) thông qua các mô hình thí nghiệm đã đề xuất công thức hiệu chỉnh phân bố vận tốc dựa trên nồng độ bùn cát c và hằng số k trong quy luật tường biên.
Quá trình 2 liên quan đến sự gia tăng khối lượng riêng của chất lỏng và sự thay đổi các đặc trưng dòng chảy do nồng độ bùn cát Những yếu tố này được xem như các hạng phụ trong hệ phương trình Navier-Stokes, thể hiện sự tương tác phức tạp giữa các biến số trong dòng chảy.
Quá trình 1 và quá trình 2 ảnh hưởng đến vận tốc di chuyển của nước theo hướng đối lập; trong khi quá trình 1 giảm vận tốc nước gần lớp đáy, quá trình 2 lại tăng vận tốc nước tại cùng vị trí này.
Tính toán chuyển tải bùn cát gồm chuyển tải bùn cát đáy và chuyển tải bùn cát lơ lửng
Bùn cát lơ lửng có thể được tính toán với phương trình đối lưu – khuếch tán, đối với nồng độ bùn cát c: j T j j j c c c c
Trong đó: w - độ thô thủy lực của hạt bùn cát, Γ - hệ số khuếch tán nhận được từ mô hình rối k-ε: T
S c Γ = υ với Sc là số Schmidt
Van Rjin (1987) đã phát triển một biểu thức xác định nồng độ bùn cát cân bằng ở gần đáy:
Đường kính hạt bùn cát được ký hiệu là d, trong khi cao độ quy chiếu hay chiều cao nhám được ký hiệu là a Ứng suất tiếp trên đáy được ký hiệu là τ, và ứng suất phân giới trên đáy là τc, được xác định theo đồ thị Shields về sự chuyển động của bùn cát Khối lượng riêng của nước và bùn cát lần lượt được ký hiệu là ρs và ρw, hệ số nhớt động lực học của nước là υ, và gia tốc trọng trường được ký hiệu là g.
Hệ số suy giảm K đối với ứng suất tiếp phân giới theo độ dốc đáy cho bởi Brooks (1963):
2 sin sin sin sin 2 tan
Trong đó: α - góc giữa hướng dòng chảy và pháp tuyến với mặt đáy, θ - tham số độ dốc, φ - góc độ dốc
Hệ số K được sử dụng để tính toán ứng suất tiếp phân giới hiệu dụng cho hạt bùn cát, bằng cách nhân với ứng suất tiếp phân giới trên bề mặt nằm ngang.
Bùn cát đáy qb có thể được tính toán theo biểu thức Van Rijn:
Chiều cao lớp đáy Δ, theo Van Rijn (1987): c c
Trong đó: d - chiều sâu nước, Ks - độ nhám hiệu dụng xác định theo Van Rijn (1987):
⎝ ⎠ (2.17) λ là bước sóng của dạng sóng trên đáy
Như vậy, độ dày lớp vận chuyển bùn cát đáy được tính toán như một hàm phụ thuộc vào giá trị ứng suất đáy
2.3.3 Lượng vận chuyển bùn cát
Lượng vận chuyển bùn cát do sóng kết hợp với dòng chảy có thể được tính toán bằng công thức Soulsby – Van Rijn (1997) như sau:
Trong đó: qt là lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng do sóng và dòng chảy
Gia tốc trọng trường (g), độ sâu nước (h), độ dốc ngang của lòng dẫn (β), tỷ trọng riêng của bùn cát (s), và các đường kính đặc trưng của bùn cát (d50 và d90) là những yếu tố quan trọng trong việc xác định vận tốc trung bình của dòng chảy (U) và ngưỡng vận tốc dòng chảy (Ucr) gây ra chuyển động của bùn cát.
D* là thông số đường kính hạt bùn cát 3 ( )
= ν ν - hệ số nhớt động học của nước, CD - hệ số kéo do dòng chảy, Urms - vận tốc quỹ đạo quân phương ở sát đáy do sóng
Để tính toán lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ, trước tiên cần xác định quá trình truyền sóng từ nước sâu vào bờ Điều này được thực hiện thông qua phương trình cân bằng năng lượng sóng (Battjes và Janssen, 1978), sử dụng số liệu mặt cắt ngang bãi và số liệu sóng ở nước sâu để xác định các thông số thủy động lực của sóng tại khu vực ven bờ.
Ảnh hưởng của khai thác cát dưới lòng sông
Hoạt động khai thác ảnh hưởng đến vận tốc và chế độ dòng chảy, dẫn đến sự dịch chuyển và phá hủy đất đá xung quanh khu vực khai thác, tạo ra vùng xói lở ở cả thượng lưu và hạ lưu Theo các nhà khoa học Nga, khi dòng nước từ thượng lưu đi qua ranh giới khai thác, nó chuyển động theo dạng xoáy, kéo theo đất đá xuống phía dưới Sau khi ra khỏi vùng chuyển động xoáy, dòng chảy gần như song song với đáy mỏ Khi đến ranh giới phía hạ lưu, dòng chảy bị cản trở tạo ra vùng xoáy, dẫn đến xói lở đất đá tương tự như ở thượng lưu, nhưng với tốc độ và phạm vi nhỏ hơn.
Hình 2.8 minh họa quá trình hình thành vùng xói lở ở thượng lưu và hạ lưu trong khai thác cát dòng sông Các ký hiệu 1 và 2 thể hiện mặt nước thủy tĩnh trước và sau khi khai thác, trong khi 3 và 4 chỉ ra vùng chuyển động xoáy tại ranh giới khai thác Vùng xói lở được đánh dấu là 5 và 6, cho thấy ảnh hưởng của việc khai thác đến cả hai phía của dòng sông Hình dạng khai thác thiết kế được thể hiện qua ABCD, và A1 A2 B1 C1 D3 D1 mô tả hình dạng thực tế sau khi quá trình khai thác kết thúc.
Mức độ mở rộng hay thu hẹp của phạm vi mỏ khai thác phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của vùng xói lở ở phía thượng lưu và hạ lưu Vùng xói lở này bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên như tính chất cơ lý của đất đá, kích thước hạt, tốc độ dòng chảy, công nghệ khai thác và trình tự khai thác.
Sơ đồ nguyên lý hình thành vùng chuyển động xoáy của dòng chảy tại ranh giới phía thượng lưu và hạ lưu thể hiện các thành phần chính của dòng chảy Hướng dòng chảy ở trạng thái tự nhiên phía thượng lưu và hạ lưu được chỉ ra, cùng với thành phần chảy thẳng đứng từ trên xuống dưới tại ranh giới khai thác phía thượng lưu Đồng thời, thành phần chảy từ dưới lên tại khu vực biên giới phía hạ lưu cũng được nhấn mạnh Cuối cùng, vùng chuyển động xoáy phía thượng lưu và hạ lưu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Sơ đồ phân vùng xói lở khi khai thác cát dưới lòng sông thể hiện sự khác biệt về độ dốc mặt nước (i n, i m) giữa trạng thái tự nhiên và khu vực khai thác Bên cạnh đó, tốc độ dòng chảy (V n, V m) cũng thay đổi giữa chế độ tự nhiên và vùng khai thác Chiều sâu ngập nước của hạt khoáng (h n) cùng với trị số tăng (giảm) của mặt nước tại ranh giới phía thượng lưu và hạ lưu (ΔZ HN, ΔZ TN) là những yếu tố quan trọng cần xem xét trong quá trình khai thác cát.
2.4.1 Vùng xói lở phía hạ lưu
Nghiên cứu cho thấy, vùng xói lở hạ lưu hình thành do quá trình bào mòn đất đá từ trên xuống dưới Khi các khối đất bị tách ra, các hạt mịn và phù sa có khối lượng riêng nhỏ sẽ di chuyển theo dòng chảy.
Hình 2.11 Hình dạng vùng xói lở sau khi bị bào mòn ở phía hạ lưu
Các thành phần cỡ hạt còn lại sẽ theo sự vận động của dòng nước, di chuyển xuống vùng khai thác và lắng đọng tại chân tầng
Sau một thời gian, quá trình bào mòn và lắng đọng trong khu vực này sẽ đạt trạng thái cân bằng Tại mặt cắt 2-2, cao độ mép tầng thiết kế sẽ giảm đi một giá trị hHN, trong đó hHN = hxl + ΔZHN - hn Ở đây, hxl là chiều sâu của vùng xói lở phía hạ lưu, được tính theo công thức đã nêu.
Hệ số hạt đất đá (h) được tính bằng công thức 0,25m i h h = d m, trong đó d m là đường kính cỡ hạt đất đá bị xói lở (dc) và in là độ dốc dọc của dòng chảy ở trạng thái tự nhiên (%).
Mức độ gia tăng của mặt nước tại mặt cắt 2-2 được xác định theo công thức:
Vxl – tốc độ dòng chảy khi bắt đầu xảy ra hiện tượng xói lở đất đá (m/s)
LHN – bán kính vùng xói lở phía hạ lưu (m) ϑ - tốc độ dòng chảy ở trạng thái tự nhiên (m/s) g – gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Xác định trữ lượng cát chảy vào mỏ khai thác từ vùng xói lở phía hạ nguồn
QHN = VDD1D2 - Vtr, trong đó Vtr đại diện cho lượng cát bị cuốn trôi ra khỏi khu vực xói lở phía hạ lưu Lượng cát này phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy, kích thước hạt đất đá và công nghệ khai thác được sử dụng.
Ta có tiết diện vùng xói lở DD1D2: DD D 1 2 1 2 ( )
Thể tích vật liệu bị xói lở: DD D 1 2 DD D 1 2 HN HN ( c ) c
Xác định góc xói lở: theo định luật hàm sin trong tam giác DD1D2 ta có:
DD DD D D sin D = sin = sin D α với 2 2 HN c
D ar sin DD arcsin sin D.DD sin L
Góc nghiêng sườn tầng trong vùng xói lở:
D arcsin sin L α = α − = α − γ α Trong đó: α – góc nghiêng sườn tầng thiết kế
Vậy góc xói lở là: xl 2 ( c ) HN c
2.4.2 Vùng xói lở phía thượng lưu
Theo nghiên cứu của TS Haumov G.G, tại vị trí thượng lưu, vật liệu bị xói lở sẽ di chuyển vào đáy vùng khai thác do quá trình vận động của dòng chảy, dẫn đến sự bồi tích tại chân tầng khai thác.
Hình 2.12 Hình dạng vùng xói lở sau khi bị bào mòn ở phía thượng lưu
Vận tốc dòng chảy tại khu vực khai thác được xác định theo công thức: n n m m n
= ϑ + Độ dốc mặt nước tại khu vực khai thác được tính toán theo biểu thức:
Xác định trữ lượng cát chảy vào mỏ khai thác từ vùng xói lở phía thượng lưu
QTN hay thể tích vùng xói lở AA1A2
Trị số giảm mặt nước tại mặt phẳng 3-3 được xác định bằng công thức Δ Z TN = AA i 1 ( n − i m ), trong đó AA 1 = L TN cosγ c, với LTN là bán kính vùng xói lở phía thượng lưu và γc là góc dốc của thân cát.
Xét lăng trụ vùng xói lở AA1A2, ta có:
AA AA A A sin A = sin A = sin A với 2 1 * xl
Từ các công thức trên ta được:
Trong đó: α – góc nghiêng sườn tầng thiết kế ( 0 ); α * xl - góc xói lở phía thượng lưu
Góc nghiêng sườn tầng sau khi kết thúc hiện tượng xói lở - trầm tích phía thượng lưu: α = α − TN A 2 = γ + α c * xl
Tiết diện vùng xói lở phía thượng nguồn AA1A2:
Thể tích vật liệu bị xói lở từ phía thượng lưu:
⎣ ⎦ với B – bề rộng khai thác
2.5 Ảnh hưởng của mực nước sông và nước lũ
Hệ thống đường đê tỉnh Đồng Tháp chịu ảnh hưởng của chế độ thuỷ văn sông Mê Kông, với mái taluy ven sông bị tác động bởi mực nước sông và nước ngầm Khi không tính đến dòng chảy, kết cấu ven sông phải chịu lực thủy tĩnh và dòng thấm, xuất hiện do chênh lệch cột áp giữa nước sông và nước ngầm Dòng thấm di chuyển từ khu vực áp lực cao đến thấp, làm chậm quá trình phá hoại mái đất Tuy nhiên, việc nạo vét cát lòng sông đã làm thay đổi địa hình, gây ra sự biến động trong tốc độ dòng chảy lũ và thủy triều không đều, dẫn đến hiện tượng dòng chảy sóng Điều này làm mái đất chịu va đập từ dòng chảy, đặc biệt tại các ngã ba sông và khúc cong, ảnh hưởng đến sự di chuyển của bùn cát ven bờ, tạo ra các hố xói dưới chân taluy.
Ảnh hưởng của mực nước sông và nước lũ
(dấu mũi tên chỉ hướng dòng chảy)
2.5.1 Ảnh hưởng của mực nước sông đến đường bão hòa nước trong thân nền đường và công trình ven sông
Mực nước lũ cao tạo ra các dòng thấm trong thân mái taluy, đặc biệt ở loại đất có độ rỗng lớn Sự gia tăng đường bão hòa nước trong mái taluy làm giảm sức chống cắt của khối đất (Fredlund và Rahardjo 1993) Các dòng thấm có vận tốc và lưu lượng lớn có thể cuốn trôi các hạt đất, gây ra sự phá hoại cục bộ và dẫn đến sạt lở mái taluy.
Hiện tượng sóng vỗ lên thân mái taluy trong mùa lũ gây ra xói lở bề mặt, làm giảm sức chống cắt của khối đất, từ đó dẫn đến sự mất ổn định cho mái taluy.
2.5.2 Ảnh hưởng của mực nước lũ lên nền đường và công trình ven sông
Khi lũ về, có thể xảy ra ba trường hợp mực nước khác nhau giữa thượng và hạ lưu Thứ nhất, mực nước thượng lưu có thể cao bằng mặt nền đường trong khi hạ lưu không có nước, và ngược lại khi nước rút Thứ hai, cả hai bên thượng và hạ lưu đều có mực nước cao nhất Cuối cùng, cả hai phía đều không còn nước lũ Trong cả ba trường hợp, nguy hiểm nhất là khi nền đường bị ngập lũ lâu ngày, dẫn đến đất bị thấm ướt, làm giảm độ bền và gây sạt lở mái taluy Khi nước phía thượng lưu rút hết, nền đường phải chịu áp lực nước mặt và áp lực thủy động, dễ gây trượt và sạt đất.
Hình 2.14 Trường hợp mực nước thượng lưu cao nhất, hạ lưu không có nước
Hình 2.15 Trường hợp hai bên thượng lưu và hạ lưu đều có mực nước cao nhất
Hình 2.16 Trường hợp mực nước hai bên thượng lưu và hạ lưu đều rút hết
Ảnh hưởng của xói lở đến mái taluy và nền đường, công trình ven sông
2.6.1 Chiều sâu hố xói do dòng chảy đối với mái taluy nền đường có gia cố mái
Quá trình dâng nước của lũ gây ra thấm ướt mái taluy và nền đường, làm suy yếu tính chất cơ lý của đất nền và mái taluy, dẫn đến nguy cơ sạt lở nền đường Ngoài ra, dòng chảy sóng nước cũng gây ra quá trình xói lở phá hoại nền đường và mái taluy Khi vận tốc dòng chảy vượt quá vận tốc khởi động bùn cát của lòng dẫn, lòng dẫn sẽ bị đào xói, đồng thời khối đất phản áp của mái bờ bị suy giảm dần.
Xói lở do dòng chảy cục bộ gần chân mái taluy có thể dẫn đến sạt lở và trượt mái taluy cũng như vai đường Hiện tượng này thường xảy ra vào cuối mùa lũ, đặc biệt khi triều rút Các đợt sạt lở diễn ra ngắt quãng và có chu kỳ dài hơn so với sạt lở do sóng thuyền Để tính toán mức độ xói lở và chiều sâu hố xói, có thể sử dụng công thức: m d tg h V 30.
Tốc độ dòng chảy tại chân kè (V) được xác định dựa trên hệ số mái dốc bờ (m) và đường kính trung bình hạt đất (d) tại chân mái bờ Nếu đường kính này nhỏ hơn hoặc bằng 1mm, thành phần 30d (mm) có thể được bỏ qua Thêm vào đó, góc hợp bởi dòng chảy với tuyến bờ (α) và chiều sâu hố xói (h) cũng là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tình hình xói mòn.
* Khi d ≤ 1mm, ta có chiều sâu hố xói tính theo:
Tốc độ xói lở và phá hoại bờ phụ thuộc vào đặc điểm thạch học và tính chất cơ lý của đất đá khi các điều kiện khác được giữ nguyên Bảng 1.1 trình bày tốc độ dòng nước cho phép mà không gây ra hiện tượng rửa xói đối với các nhóm đất khác nhau.
Khi tốc độ dòng chảy lớn hơn tốc độ được nêu ra, đất đá bắt đầu bị xói rửa
Bảng 2-3 Tốc độ dòng nước cho phép lớn nhất không gây ra hiện tượng rửa xói đối với các nhóm đất đá khác nhau Đất đá Tốc độ, m/s Cứng
Granit, diaba, bazan, sienit, diorit, quaczit, gonai và các đá nứt nẻ ít, dạng khối khác
Cát kết, đá vôi, đôlômit, đá hoa đặc chắc không phân lớp 4-15
Nửa cứng Đá vôi có hang hốc, đôlômit, cát kết chặt sít có phân lớp 3-4 Đá vôi và các kết lẫn sét, đá macnơ, đá phiến 2-3
Tảng lăn và đá hộc lớn 4-5 Tảng lăn và đá hộc nhỏ 3-4 Đất đá Tốc độ, m/s
Cuội và đá dăm lớn 2-3
Cuội và đá dăm nhỏ 1-1,25
Sỏi và sạn sỏi 0,6-1 Cát hạt thô và hạt lớn 0,25-0,6
Cát hạt vừa và hạt nhỏ 0,26-0,35
Sét và sét pha cát chặt 1,2
Sét và sét pha cát kém chặt 0,5
Cát pha sét chặt 0,6-0,8 Cát pha sét kém chặt 0,25-0,35
2.6.2 Ổn định chống sạt lở mái taluy do hiện tượng xói lở của dòng chảy lũ gây ra
Trong mùa kiệt, khi mực nước thấp, tác động của sóng thuyền bè gây xói lở mái bờ, hình thành hàm ếch và giảm ổn định cho mái bờ Khi có mưa hoặc tác nhân làm tăng tải trọng lên hàm ếch, đất sẽ xuất hiện nhiều vết nứt, dẫn đến hiện tượng sụt lở và rơi từng mảng nhỏ xuống lòng sông.
Có hai loại vết nứt thường gặp là đường nứt nằm trên thân mái dốc và đường nứt nằm trên đỉnh mái dốc phần vai đường
Hình 2.17 Nguyên nhân gây phá hoại dạng hàm ếch do sóng (Scott 2002)
Phá hoại cắt kiểu hàm ếch (Thorne và Tovey, 1981), hệ số an toàn được tính theo công thức:
Fs là tỷ số sức chống cắt của đất so với trọng lượng của hàm ếch Hệ số α trong phương trình đảm bảo rằng trọng lượng của các lớp đất sẽ giảm hợp lý khi bờ sông bị ngập nước một phần hoặc toàn phần, mà không phụ thuộc vào hình dạng bề mặt đáy của hàm ếch.
2.6.3 Xói lở do nước mặt chảy xói lở mặt mái dốc
Khi mặt mái dốc của đường, đê, đập tiếp xúc với nước chảy tràn, hiện tượng xói rửa có thể xảy ra Đặc biệt, nếu đất đắp mái dốc bị nhiễm phèn hoặc mặn, sẽ dẫn đến tình trạng ngọt hóa, gây trương nở, tan rã và xói mòn nghiêm trọng Nếu không được khắc phục kịp thời, mái dốc sẽ mất ổn định Để giải quyết vấn đề này, cần áp dụng biện pháp cơ học như tăng độ chặt của đất đắp mái, gia cố mái, trồng cỏ để bảo vệ bề mặt và lắp đặt các tấm bảo vệ bằng xi măng lưới thép.
Kết luận chương 2
Chương 2 đưa ra các cơ sở tính toán lý thuyết bằng phương pháp giải tích với mô hình tính toán đơn giản để kiểm tra mối tương quan giữa các yếu tố có thể gây ra hiện tượng xói lở bờ sông do dòng chảy trong sông: ắ Cao độ mực nước sụng và mực nước ngầm cú ảnh hưởng đến đường bóo hũa thấm trong thân nền đường và công trình ven sông Do đó, tùy thuộc vào loại vật liệu, tốc độ dòng chảy, thành phần hạt của sông mà khả năng và mức độ xói lở sẽ khác nhau ắ Độ ẩm tương đối của nền đường và cụng trỡnh ven sụng đúng vai trũ quan trọng khi nghiên cứu về ổn định và biến dạng của nền đường đắp trên đất yếu trong điều kiện ngập nước Sự phân bố ẩm ở trong nền đường nếu biết thời gian duy trì ngập lụt T, độ chứa ẩm lớn nhất Wmax, độ ẩm ban đầu Wo, kích thước nền đường (L hoặc H) và hệ số truyền dẫn ẩm tính toán ắ Khi cú kể đến ỏp lực thấm thủy động, hệ số an toàn ổn định trượt sõu của nền đường đắp cao ven sông giảm 5-10% Khi mùa nước kiệt, hay thủy triều xuống hoặc lũ rút, mức độ ổn định của công trình càng nguy hiểm hơn, sự xói lở do dòng chảy cục bộ đó ở gần chân mái taluy có thể gây sạt, trượt mái taluy và vai đường ắ Chiều sõu hố xúi phụ thuộc vào tốc độ dũng chảy, mỏi dốc bờ; đường kớnh trung bình hạt đất tại chân mái bờ, góc hợp bởi dòng chảy với tuyến bờ Khi hố xói phát triển tạo thành hàm ếch, sau đó gặp mưa hay một tác nhân nào đó làm gia tăng tải trọng khối đất lên hàm ếch, khối đất sẽ hình thành nhiều vết nứt, trước khi sụt lở, tan rã làm rơi rớt từng mảng nhỏ xuống lòng sông Có hai loại vết nứt thường gặp là đường nứt nằm trên thân mái dốc và đường nứt nằm trên đỉnh mái dốc phần vai đường
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI TALUY CỦA KÊNH, LÒNG SÔNG
Giới thiệu
Sạt lở đất là hiện tượng đất bị trượt hoặc lở do tác động của mưa, lũ, và dòng chảy, thường xảy ra tại thung lũng, triền sông và bờ biển Quá trình sạt lở bao gồm dịch chuyển trượt và sụp đổ, với dấu hiệu cảnh báo là các vết nứt sâu vào đất liền Diễn biến của sạt lở nhanh và đột ngột, khác với trượt lở diễn ra chậm rãi trong nhiều năm Sạt lở bờ có xu hướng tái diễn và có thể đe dọa các cụm dân cư, đặc biệt là ở vùng đồng bằng và ven biển Ổn định mái dốc phụ thuộc vào hình học, điều kiện ứng suất và đặc tính cơ lý của đất, nhưng tải trọng nước bên ngoài có thể thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và ảnh hưởng đến tính ổn định của mái dốc.
Dòng chảy tức thời trong đất ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗng và cường độ, biến dạng của đất, dẫn đến sự dịch chuyển hạt đất và xói lở Để tính toán ổn định mái dốc với yếu tố dòng chảy tức thời, phương pháp cân bằng giới hạn đơn giản vẫn được áp dụng phổ biến trong phân tích mái dốc.
Hình 3.1 minh họa các mô hình cơ bản liên quan đến sự thay đổi mực nước, bao gồm nước sông hồ (A), tình trạng mực nước giảm (B), mực nước tăng (C), và hiện tượng dao động mực nước (D) Bên cạnh đó, hình ảnh cũng thể hiện áp lực nước (WL), vị trí mực nước ngầm (GWL), và mực nước bên ngoài (EWL).
Sự dao động mực nước có thể do nhiều yếu tố như thay đổi mực nước thủy triều, sóng nước từ gió và các điều kiện thời tiết khác Ngoài ra, các hiện tượng tự nhiên cũng có thể dẫn đến sự suy giảm tính chất đất theo thời gian, ảnh hưởng đến kết cấu khung hạt đất Hơn nữa, ổn định mái dốc còn bị tác động bởi các hoạt động của con người.
Phương pháp xác định ổn định mái dốc
Nhìn chung, ổn định mái dốc được xác định dựa trên hai yếu tố:
(1) tính toán hệ số an toàn FS,
(2) xác định vị trí của mặt trượt nguy hiểm nhất
Vào giữa thế kỷ 19, phương pháp phân tích ổn định mái dốc dựa trên ứng xử của sét đã được áp dụng Đến năm 1916, phương pháp mặt trượt trụ tròn giả định được phát triển và hoàn thiện vào đầu những năm 1920 Các phương pháp cân bằng giới hạn (LE) nổi bật nhờ tính đơn giản và dễ sử dụng, mặc dù vẫn tồn tại nhiều nhược điểm và ít thay đổi trong suốt thế kỷ Bên cạnh phương pháp LE, còn có các lý thuyết liên tục và nhiều mô hình vật liệu dựa trên phân tích biến dạng, thường áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
Theo nghiên cứu của TS Nguyễn Thống Nhất (2002), việc tính toán ổn định cho nền đường đắp cao trên đất yếu ở ven sông cần kiểm tra năm loại khả năng mất ổn định.
- Nền đường bị lún sụp do vượt quá sức chịu tải giới hạn của đất yếu
- Nền đường bị phá hoại do đất yếu bị đẩy ngang
- Nền đường và nền đất yếu bị trượt theo mặt hay cung trượt sâu
- Mái dốc nền đường đắp (taluy) và mái bờ sông bị mất ổn định
- Nền đường và nền đất yếu bị lún vượt giới hạn (kể cả từ biến)
Hình 3.2 Nền đường bị lún sụp (trái) và Nền đất bị đẩy ngang (phải)
Hình 3.3 Phá hoại theo mặt trượt sâu (trái) và Mái dốc bị mất ổn định (phải)
Vị trí cung trượt nguy hiểm nhất
3.3.1 Phương pháp tính toán ổn định mái dốc trên cơ sở trạng thái cân bằng giới hạn – phương pháp phân mảnh
Để giải bài toán một cách gần đúng, chúng ta có thể phân chia khối trượt thành nhiều mảnh nhỏ hơn Việc gia tăng số lượng mảnh sẽ giúp cải thiện độ chính xác của kết quả Tiếp theo, chúng ta sẽ phân tích tất cả các lực tác động và nội lực giữa các mảnh.
Hình 3.4 Sơ đồ tính toán cung trượt theo phương pháp phân mảnh
Hình 3.5 Sơ đồ tính toán phân mảnh theo phương pháp phân mảnh
Sa = C + N’tanΦ độ bền gây trượt
Sm: sức kháng cắt (trượt) của đất trên bề rộng mảnh trượt
Uα: áp lực nước lỗ rỗng
Uβ: áp lực thủy tĩnh bề mặt W: trọng lượng khối trượt N’: áp lực pháp tuyến hữu hiệu, đặt ở tâm của mặt đáy mảnh trượt Q: ngoại lực tác động
ZL: lực tác dụng của mảnh trượt bên trái
ZR là lực tác dụng của mảnh trượt bên phải, trong khi θL và θR lần lượt là góc nghiêng của ZL và ZR so với phương ngang Góc α biểu thị độ nghiêng của mặt đáy mảnh trượt, còn góc β là độ nghiêng của mặt đỉnh mảnh trượt Hệ số áp lực đất ngang được ký hiệu là kv, trong khi hệ số áp lực đất đứng được ký hiệu là kh.
Bảng 3-1 Các phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo trạng thái cân bằng giới hạn
Phương pháp Các giả thiết Mặt phá hoại Điều kiện cân bằng Cách giải
Fellenius (1927) Xj=Xj+1, Ej=Ej+1
JS = 0 Cung tròn Moment Tính toán
JS = 0 Cung tròn Moment Tính toán/
JS = 0 Cung tròn Lực ngang Máy tính
JS = 0 Bất kỳ Tất cả Máy tính
Spencer (1967) Xj=Xj+1, Ej=Ej+1
JS = 0 Bất kỳ Tất cả Máy tính
Janbu (1973) Xj=Xj+1, Ej=Ej+1
Phương pháp của Bishop và Janbu simplified đều giả định sự tồn tại của các cặp nội lực tương tự nhau, được tính toán dựa trên trạng thái cân bằng giới hạn Tuy nhiên, phương pháp Bishop tập trung vào cân bằng tổng mômen, trong khi phương pháp Janbu chú trọng vào cân bằng lực ngang.
Trong điều kiện dài hạn hoặc có thoát nước, chỉ cần phân tích ứng suất hiệu Đối với đất dính, trong điều kiện ngắn hạn hoặc không thoát nước, cần thực hiện phân tích ứng suất tổng.
Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết cho việc tính toán bằng phần mềm Slope/W dựa trên phương pháp phân mảnh đơn giản của Bishop, phương pháp phổ biến nhất để tính hệ số ổn định hiện nay Trong phương pháp này, lực tương tác giữa các mảnh được xem xét đến một mức độ nhất định Xét một đơn vị chiều dài vuông góc với mặt cắt thể hiện, các lực tác dụng lên mảnh được mô tả, trong đó Wn là trọng lượng của mảnh, còn Nr và Tr là các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của phản lực Các lực pháp tuyến Pn và Pn+1 cùng với lực cắt Tn và Tn+1 giữa các mảnh rất khó xác định, nhưng có thể giả định rằng chúng có độ lớn bằng nhau và có thể bỏ qua các lực tương tác này (Das 2006).
Pn+1=ΔP và Tn - Tn+1= ΔT, chúng ta cũng có thể viết như biểu thức dưới đây:
Hình 4.1 thể hiện tứ giác lực cho cân bằng của mảnh thứ n Tổng những lực theo phương đứng là: r n n r n n s s
Xét cân bằng nêm ABC (Hình 4.1) và lấy mô men tại điểm O ta được: n n r
Trong đó (n ) n n n tan sin m cos α F φ α
= α + Để đơn giản, nếu chúng ta đặt ΔT=0, ta được:
Giá trị của FS chỉ được xác định thông qua quá trình thử sai, trong đó một số mặt trượt cần được khảo sát để xác định mặt trượt tới hạn tương ứng với hệ số an toàn tối thiểu.
Hình 3.6 Phương pháp phân mảnh đơn giản hóa của Bishop (Das 2006): (a) Mặt trượt thử; (b) Lực tác dụng lên mảnh thứ n; (c) Đa giác lực cho cân bằng
3.4.1.1 Ph ươ ng pháp Fellenius 1927 Đây là phương pháp đầu tiên và cũng được xem là nền tảng phát triển của các phương pháp sau này Fellenius sử dụng mặt trượt dạng trụ tròn và phân chia khối đất thành nhiều mảnh nhỏ để tính toán Theo Fellenius, lực tương tác giữa các mảnh bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu lẫn nhau, vì vậy bỏ qua lực tương tác giữa các mảnh
Sơ đồ tính ban đầu của Fellenius chỉ xem xét trọng lượng bản thân, phản lực từ đất nền lên mảnh phân tố và sức kháng dọc mặt trượt Để đánh giá ảnh hưởng của ngoại lực, cần bổ sung lực Q, đại diện cho tải trọng ngoài nằm trong phạm vi mảnh phân tố.
Tổng lực tác dụng lên mảnh trượt:
F α N ' U α k W sin W 1 k cos U cos β Q cos 0 Σ = + + α − − α − β − α − δ − α = Áp lực pháp tuyến hữu hiệu tác dụng lên đáy mảnh trượt:
N ' = − U α − k W sin α + W 1 k cos − α + U cos β β − α + Q cos( δ − α ) (3.1)Tổng mô men đối với tâm cung trượt:
M W 1 k U cos Q cos R sin U sin Q sin R cos h
− + α − Độ bền gây trượt của khối đất:
S W 1 k U cos Qcos R sin U sin Qsin cos h R k W cos h R β β
Hệ số an toàn chống trượt theo định nghĩa của phương pháp cân bằng giới hạn và coi như bằng nhau cho mọi mảnh trượt được tính như sau: m
Trong đó C và N’ là lực dính và lực cắt ma sát của đất tính theo bề rộng 1 mảnh trượt
3.4.1.2 Ph ươ ng pháp đơ n gi ả n hóa c ủ a Janbu (1973)
Phương pháp phân mảnh của Bishop giả định rằng không có lực tác động giữa các mảnh trượt, đồng thời đảm bảo điều kiện cân bằng cho tổng các lực thẳng đứng trong từng mảnh và tổng các lực nằm ngang trong toàn bộ khối trượt.
Hệ số an toàn chống trượt theo trạng thái cân bằng giới hạn được định nghĩa như sau: m m
Lực pháp tuyến hữu hiệu đặt tại đáy mảnh trượt tính như sau:
= α + ⎢ ⎣ ⎥ ⎦ Tổng lực ngang trên một mảnh trượt:
[ ] ( F h i = N ' U + α ) sin α + Wk h − U sin β β − Q sin δ − S cos m α
Cân bằng tổng lực ngang trong khối trượt:
F N ' U sin Wk U sin Q sin cos 0 α β F
Hệ số an toàn chống trượt trong mỗi mảnh trượt:
Với A 4 = U sin α α + Wk h − U sin β β − Q sin δ
Hệ số an toàn chống trượt tổng thể của khối trượt:
3.4.1.3 Ph ươ ng pháp đơ n gi ả n hóa c ủ a Bishop
Bishop sử dụng mặt trượt dạng trụ tròn và phân khối đất thành n mảnh nhỏ để tính toán ổn định
Bishop giả thuyết rằng các lực tác động tiếp tuyến với mặt hông của mảnh là bằng nhau (Xj = Xj+1), trong khi lực pháp tuyến khác nhau (Ej ≠ Ej+1), áp lực nước không giống nhau (Uj ≠ Uj+1) và áp lực thấm (JS)j = 0.
M W 1 k U cos Q cos R sin U sin Qsin R cos h
Hệ số an toàn chống trượt tổng thể của khối trượt:
Lực pháp tuyến hữu hiệu đặt tại đáy mảnh trượt được tính giống như trong phương pháp của Janbu:
Kết luận chương 3
Chương 3 mô tả trình: ắ Hệ số an toàn FS phụ thuộc rất lớn vào việc phõn chia số lượng mảnh, vị trí mặt trươt và ảnh hưởng của 2 cặp nội lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa các mảnh Giá trị FS được giả sử cho trước và thực hiện phép tính lặp để tìm FS nhỏ nhất Tuy nhiên, việc tính toán thủ công bài toán trên một cách chính xác là rất mất thời gian ắ Trong chương này, tỏc giả khụng trỡnh bày chi tiết phương phỏp cổ điển của Fellenius (1927), nó được tính toán tương tự như PP của Bishop nhưng giả thuyết là không tồn tại các lực tương tác giữa các mảnh X và
E, dẫn đến kết quả tính chưa được chính xác với thực tế và thường có xu hướng thấp hơn