Nghiên cứu sự biến đổi môi trường địa chất khu vực kênh quan chánh bố và kênh tắt trong quá trình vận hành tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông hậu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC KÊNH QUAN CHÁNH BỐ VÀ KÊNH TẮT TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG TÀU BIỂN TẢI TRỌNG LỚN VÀO SÔNG HẬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC KÊNH QUAN CHÁNH BỐ VÀ KÊNH TẮT TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG TÀU BIỂN TẢI TRỌNG LỚN VÀO SÔNG HẬU Chuyên ngành: Kỹ thuật địa chất Mã số chuyên ngành: 9520501 Phản biện độc lập: PGS.TS Huỳnh Ngọc Sang Phản biện độc lập: PGS.TS Tạ Đức Thịnh Phản biện: PGS.TS Phạm Trung Hiếu Phản biện: PGS.TS Nguyễn Việt Kỳ Phản biện: TS Phan Chu Nam NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Đậu Văn Ngọ i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực không chép từ nguồn nào, hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Hữu Sơn ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án kết nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh Bố kênh Tắt trình vận hành tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu Yếu tố tự nhiên nhân tạo ảnh hưởng đến xói lở bồi lắng gồm cấu trúc địa chất dọc bờ, chế độ dòng chảy thay đổi sóng tàu thuyền nghiên cứu đề xuất giải pháp phát triển bền vững trình bày luận án Cấu trúc địa chất đường bờ có hàm lượng cát, bụi sét đánh giá theo thang tỷ lệ “ROM” với năm cấp độ xói lở “nguy kịch”, “rất cao”, “cao”, “trung bình” “thấp” độ sâu khác tính tốn ứng suất cắt tới hạn vật liệu đường bờ dựa hàm lượng sét – bụi Chế độ dòng chảy trước sau vận hành tuyến luồng mô theo mơ hình MIKE 21/3 tích hợp để đánh giá mức độ thay đổi thủy động lực học, vận chuyển bùn cát q trình bồi xói Sóng tàu thuyền yếu tố quan trọng đo đạc tính tốn ứng suất ảnh hưởng đến ổn định đường bờ Đề xuất giải pháp phát triển bền vững, kế hoạch tu nạo vét tuyến luồng trình vận hành Luận án giới thiệu, trình bày phương pháp thực kết nghiên cứu ba yếu tố ảnh hưởng đến trình vận hành tuyến luồng năm từ năm 2016 Kết phân tích cho thấy, cấu trúc địa chất đoạn kênh Quan Chánh Bố ổn định theo thang đánh giá “ROM” cấp độ xói lở “thấp”, đoạn kênh Tắt đánh giá theo thang tỷ lệ “ROM” cấp độ xói lở “nguy kịch” số đoạn với độ sâu khác Tốc độ dòng sau có kênh Tắt tăng lên khoảng 0,5 – 0,7m/s, đạt cực đại khoảng 1,3 – 1,5m/s Sóng gây tàu thuyền đo đạc có chiều cao khoảng 0,3 – 1,4m, tùy thuộc vào điều kiện tải trọng tàu, tốc độ di chuyển tàu thủy triều Đường bờ kênh Quan Chánh Bố hữu có khả chịu đựng ứng suất tới hạn khoảng 19,6 – 22,4N/m2, tương ứng với áp lực gây sóng tàu thuyền có độ lớn khoảng 0,68 – 0,74m Tương tự, đoạn bờ kênh Tắt 5,9 – 18,2N/m2, áp lực gây sóng tàu thuyền khoảng 0,45 – 0,69m tùy theo cấu trúc địa chất đoạn Môi trường địa chất khu vực nghiên cứu đoạn kênh Quan Chánh Bố kênh Tắt chịu tác động yếu tố tự nhiên – nhân tạo trình vận hành cần phải đề xuất giải pháp phát triển bền vững nhằm đảm bảo hoạt động hiệu tuyến luồng iii Các giải pháp dựa mức độ ảnh hưởng yếu tố cấu trúc địa chất, thủy lực dòng chảy tác động sóng tàu thuyền Sáu giải pháp bảo vệ bờ áp dụng cụ thể cho đoạn tuyến luồng với hai giải pháp phi cơng trình cách trồng giảm sóng bốn giải pháp cơng trình với mức độ kiên cố khác Kết phân tích ổn định với hai giải pháp phi cơng trình có hệ số ổn định dao động từ 1,29 1,32 có chi phí khái tốn từ 5.095.000 đồng/m đến 28.173.000 đồng/m Đối với đoạn xói lở, có nguy xói lở cao cần áp dụng giải pháp cơng trình dựa ngun tắc kết hợp hai giải pháp làm giảm lực gây trượt làm tăng lực kháng Kết phân tích ổn định với bốn giải pháp cơng trình có hệ số ổn định dao động từ 1,23 đến 1,74 có chi phí khái toán từ 34.182.000 đồng/m đến 67.932.000 đồng/m Tuy nhiên, để chọn phương áp phù hợp cho đoạn luồng nhằm giảm chi phí đầu tư xây dựng, cần khảo sát bổ sung số liệu, quan trắc ổn định công trình để có giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng đạt hiệu kinh tế kỹ thuật Duy tu bảo dưỡng luồng phụ thuộc vào kết tính tốn bồi lắng dọc theo tuyến luồng từ kênh Quan Chánh Bố đến tuyến kênh Tắt Mơ hình mơ vận chuyển bùn cát bồi xói tính tốn cho trường hợp nạo vét luồng hàng năm với ba kịch thấp, trung bình đến cao qua 11 mặt cắt tương ứng 872.342,48; 1.204.065,68 1.535.788,88m3/năm cho đoạn tuyến luồng dài 20,77km Đề xuất kế hoạch nạo vét định kỳ hàng năm, hai năm đại tu tuyến luồng sau 05 năm qua mặt cắt nạo vét khác nhằm đảm bảo hoạt động thông suốt phát triển bền vững tuyến luồng iv ABSTRACT This doctorate dissertation studies geological environment the changes on the geoenvironment at Quan Chanh Bo and Tat Canals during the operation of the entrance navigation route to Hau River The objectives of this study are to determine the role of natural and artificial factor including geological structures along the shore, flow regime changes and ship-induced waves… which effect on the erosion and deposition processes to propose the sustainable mitigating solutions The geology structure of river banks compounded with sand, silk and clay is categorized on the “ROM” scale with five erosion levels such as “Critical”, “Very High”, “High”, “Medium” and “Low” in depths varying and critical shear stress of the shoreline material based on clay-silk content The pre-operated and post-operated channel flow mode was simulated by the integrated MIKE 21/3 coupled to evaluate the change in hydrodynamics, sediment transport and erosion process Waves caused by vessels are an important factor in the operation process, which is measured to the stress affecting on the stability of the river bank It is proposing sustainable development solutions, planning for maintenance and dredging activities during the operation The study has also introduced and presented the implementation methods and study results of the three above factors influenced on the operation of the channel for years since 2016 Study results show that, the inherent geological structure of the QCB is fall into the “low” region benchmarked the ROM scale Meanwhile, the Tat canal is assessed to be non-stable state Maximum severity is fallen into “Critical” level as per ROM scale in various depths in respective Due to artificial canal, simulated current velocity is increased 0.5 – 0.7 m/s, maximum of 1.3 – 1.5 m/s Moreover, measured ship-generated wave height varies in 0.3 – 1.4m The height of ship wave depends on loading condition, vessel speed and tidal condition River banks of QCB channel withstands the critical shearstress of 19.6 – 22.4 N/m2, in respect of shearstress generated by ship wave height of 0.68 – 0.74m In addition, natural bank structure of Tat canal withstands the shearstress of 5.9 – 18.2 N/m2 which is equal the impact by ship wave height of 0.45 – 0.69m The geo-environment at study area is impacted by the natural and human factors During the operating of the channel, it is necessary to propose the preventive and mitigating v measures to ensure the effectiveness operation of the channel The controlled measures are based on geological structure, hydrodynamic condition, and ship-generated wave impacts As results, there are total six (06) protection measures including two (02) non-structure measures (vegetation planting) and four (04) structures have been proposed to apply for every section of the channel The slope stable analysis applied for two non-structured measures which has the estimated cost at 5,095,000VND/m to 28,173,000VND/m has provided the stable factor varying on the 1.29 and 1.32 Due to the risk level, it is recommended to applied the combined measure with aims to reduce the skid pressure and increase the skid-resistance pressure at the eroded sections Besides, stable analysis results of four structured measures (estimation cost of 34,182,000VND/m to 67,932,000VND/m) is in range of 1.23 – 1.74 However, it is necessary to carry out additional site survey and monitoring to provide the basis on selecting of mitigation measure with purpose of ensure the sustainable developing and effectiveness operation of the channel both technically and financially The maintenance and dredging activities of the channel is based on the simulation of deposition model As results, the scenario of Low, Medium and High applied for the 11 cross sections of 20.77km of channel provide the total deposited volume of 872,342.48; 1,204,065.68 and 1,535,788.88m3/year in respectively Finally, it is proposed the annual, bi-yearly and 5-year of maintenance plan to ensure the smoothly operation and sustainable development of the channel vi LỜI CÁM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Đậu Văn Ngọ quan tâm giúp đỡ, tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu tham khảo giúp tác giả hoàn thành luận án tiến sĩ Tác giả xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô giảng viên Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa kỹ thuật Địa chất Dầu khí nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ tác giả thời gian làm luận án tiến sĩ Chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa kỹ thuật Địa chất Dầu khí, Bộ mơn Địa kỹ thuật, Phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành nhiệm vụ vii MỤC LỤC MỤC LỤC viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT 1.1 Tổng quan nghiên cứu môi trường địa chất 1.1.1 Tình hình nghiên cứu môi trường địa chất 1.1.2 Nhu cầu nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất 11 1.2 Tổng quan nghiên cứu liên quan đến luận án 12 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 13 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 16 1.3 Những vấn đề tồn nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất 20 1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu luận án 22 1.5 Cách tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu 23 1.5.1 Phương pháp luận nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất 23 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu 25 CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 28 2.1 Vị trí vùng nghiên cứu quy mô tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn 28 2.1.1 Vị trí vùng nghiên cứu 28 2.1.2 Quy mô tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu 29 2.2 Đặc điểm môi trường địa chất khu vực nghiên cứu 31 2.2.1 Đặc điểm địa hình, địa mạo tân kiến tạo 31 2.2.2 Đặc điểm cấu trúc địa chất 37 2.2.3 Đặc điểm khí tượng thủy hải văn 39 2.3 Các yếu tố tự nhiên nhân tạo ảnh hưởng đến q trình vận hành tuyến luồng tàu biển vào sơng Hậu 53 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO ĐẾN QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG 56 3.1 Các ngun nhân ảnh hưởng đến xói lở bồi lắng tuyến luồng 56 3.1.1 Cấu trúc tính chất vật lý đất 56 3.1.2 Đặc điểm chế độ dòng chảy 58 3.1.3 Đặc điểm sóng tàu 59 viii 3.1.4 Hiện trạng xói lở bồi lắng dọc theo tuyến luồng 61 3.2 Đánh giá cấu trúc địa chất ảnh hưởng đến mức độ xói lở đường bờ 63 3.2.1 Phương pháp đánh giá mức độ xói lở 64 3.2.2 Đánh giá mức độ xói lở cấu trúc địa chất bờ 67 3.2.3 Bản đồ phân vùng mức độ xói lở cấu trúc địa chất theo độ sâu 72 3.3 Đánh giá ảnh hưởng chế độ dòng chảy đến ổn định đường bờ 82 3.3.1 Xây dựng mơ hình dịng chảy tuyến luồng trình vận hành 82 3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng dòng chảy đến ổn định đường bờ 93 3.4 Đánh giá ảnh hưởng sóng tàu thuyền đến ổn định đường bờ 96 3.4.1 Chiều cao sóng ứng suất gây hoạt động sóng tàu thuyền 96 3.4.2 Đo đạc, quan trắc sóng gây tàu thuyền 96 3.4.3 Đánh giá ảnh hưởng sóng gây tàu thuyền 99 CHƯƠNG DỰ BÁO KHẢ NĂNG BỒI LẮNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG AN TOÀN VÀ HIỆU QUẢ .104 4.1 Quản lý vận hành hiệu tuyến luồng tàu biển 104 4.1.1 Vận hành tuyến luồng tàu biển vào sông Hậu 104 4.1.2 Quan điểm phương pháp dự báo vận hành hiệu tuyến luồng 104 4.2 Dự báo khả bồi lắng tuyến luồng trình vận hành 106 4.2.1 Tốc độ biến đổi ứng suất đáy thay đổi trình vận hành 106 4.2.2 Dự báo khối lượng bồi lắng tuyến luồng 109 4.3 Đề xuất giải pháp phát triển bền vững tuyến luồng ổn định vận hành 116 4.3.1 Lựa chọn giải pháp thích hợp ổn định bờ tuyến luồng 116 4.3.2 Giải pháp phi cơng trình bảo vệ bờ tuyến luồng 121 4.3.3 Giải pháp cơng trình kè kiên cố 126 4.3.4 Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ tuyến luồng 132 4.3.5 Đề xuất kế hoạch tu nạo vét tuyến luồng đảm bảo vận hành ổn định 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .140 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ .143 TÀI LIỆU THAM KHẢO .145 ix ... HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI MÔI TRƯỜNG ĐỊA CHẤT KHU VỰC KÊNH QUAN CHÁNH BỐ VÀ KÊNH TẮT TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH TUYẾN LUỒNG TÀU BIỂN TẢI TRỌNG LỚN VÀO SÔNG... Nguyễn Hữu Sơn ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án kết nghiên cứu biến đổi môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh Bố kênh Tắt trình vận hành tuyến luồng tàu biển tải trọng lớn vào sông Hậu Yếu tố tự nhiên... môi trường địa chất khu vực kênh Quan Chánh Bố kênh Tắt Đó hệ thống tuyến luồng đoạn kênh Quan Chánh Bố nạo vét mở rộng đến hết đoạn kênh Tắt đào hoàn toàn đưa vào vận hành làm biến đổi mơi trường