Nghiên Cứu Tính Toán Xói Mòn, Sạt Lở Bờ Sông Đồng Nai Khu Vực Cù Lao Rùa Và Đề Xuất Giải Pháp Giảm Thiểu .Pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MỘNG GIANG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI MÒN, SẠT LỞ BỜ SÔNG ĐỒNG NAI KHU VỰC CÙ LAO RÙA

VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU

Ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường Mã số ngành: 62850101

Phản biện độc lập: PGS.TS Phùng Chí Sỹ

Phản biện độc lập: PGS.TS Hoàng Văn Huân

Phản biện: PGS.TS Lê Tuấn Anh

Phản biện: PGS.TS Huỳnh Công Hoài

Phản biện: PGS.TS Trương Thanh Cảnh

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1 PGS.TS Lê Song Giang

2 PGS.TS Võ Lê Phú

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự hướng

dẫn của PGS.TS Lê Song Giang và PGS.TS Võ Lê Phú

Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực và không sao

chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn

tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Tác giả Luận án

Chữ ký

Nguyễn Mộng Giang

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành Luận án này, tôi xin được bày tỏ lòng cám ơn chân thành đến PGS.TS Lê Song Giang và PGS.TS Võ Lê Phú đã tận tình giảng dạy, hỗ trợ, hướng dẫn và góp ý trực tiếp cho Luận án của tôi trong quá trình thực hiện cũng như trong suốt quá trình học tập của mình

Xin được cảm ơn các Thầy, Cô giáo công tác tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM và các Thầy, Cô giáo khác đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu để tôi thực hiện và hoàn thành Luận án nghiên cứu này

Xin cám ơn gia đình, người thân và những người bạn chân thành của tôi đã luôn đồng hành, khuyến khích, ủng hộ, động viên không ngừng giúp tôi vượt qua những khó khăn và thách thức để hoàn thành đề tài nghiên cứu

Xin chân thành cám ơn!

iii

TÓM TẮT

Xói mòn lòng dẫn và xói lở bờ là những quá trình xảy ra với lòng sông, có tác động tiêu cực đến sinh kế của người dân và gây thiệt hại tài sản của xã hội Luận án này nghiên cứu và đánh giá vấn đề sạt lở bờ tại Cù lao Rùa (Cù lao Thạnh Hội) nằm trên sông Đồng Nai thuộc xã Thạnh Hội, thị xã Tân Uyên, tỉnh Bình Dương

Tình trạng sạt lở bờ tại Cù lao Rùa đã diễn ra trong thời gian dài, tốc độ sạt lở bờ ngày càng tăng sau khi nhà máy thủy điện Trị An đi vào hoạt động Song song đó, hoạt động hút cát lòng sông ngày càng phổ biến làm gia tăng mức độ và nguy cơ sạt lở bờ ở Cù lao Rùa Hiện nay, do quá trình sạt lở đang diễn ra nhanh chóng nên Cù lao Rùa có nguy cơ bị chia cắt ra làm hai phần tại vị trí cổ rùa Vì vậy, việc nghiên cứu cơ chế, nguyên nhân sạt lở Cù lao Rùa nhằm đề xuất các giải pháp kiểm soát tác động, ngăn chặn sạt lở hiệu quả là rất cần thiết

Trong khuôn khổ Luận án, một công cụ tính toán xói lở bờ (tên là STABI) đã được xây dựng Công cụ tính toán tích hợp 3 modules cơ bản gồm: (i) Module tính toán dòng thấm tại bờ sông; (ii) Module phân tích độ ổn định; và (iii) Module tính toán sạt lở bờ Ngoài ra, tác giả đã áp dụng phần mềm F28 kết hợp với công cụ tính toán STABI đã tạo ra một công cụ trợ giúp nghiên cứu bài toán diễn biến lòng dẫn hoàn chỉnh

Sử dụng phần mềm F28, một mô hình tính toán dòng chảy và xói mòn đáy 1D2D3D tích hợp được xây dựng trong đó Cù lao Rùa được mô hình hóa dưới dạng 3D Với sự kết hợp của phần mềm F28 và STABI, mô hình diễn biến bờ được thiết lập để xác định và hiểu rõ cơ chế, nguyên nhân của xói mòn và sạt lở bờ tại khu vực nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên nhân chủ yếu gây ra sạt lở bờ là các xoáy thứ cấp do lòng sông cong Dòng chảy tại đoạn cổ cong là nguyên nhân gây ra quá trình xói đáy và bào mòn bờ sông Sông bị sạt lở khi mức độ xói đạt ngưỡng làm mất ổn định bờ Tính toán cho thấy sau 321 ngày thì có thể xảy ra sạt lở, vết sạt có bề rộng khoảng 3,8 m Kết quả tính có thể khẳng định sạt lở chắc chắn xảy ra Tuy nhiên, thời gian và mức độ sạt lở có độ tin cậy chưa cao vì số liệu chưa đầy đủ và mô hình chưa được hiệu chỉnh tốt Phần mềm F28 đã cho thấy rõ cấu trúc dòng chảy 3D tại Cù lao Rùa Ngoài ra, phần mềm F28 cung cấp tốc độ xói mòn đáy và tốc độ xói mòn bờ bởi dòng chảy – các dữ liệu đầu vào cho công cụ tính toán STABI Bằng cách kết hợp phần mềm F28 và công cụ STABI, kết quả tính toán thấy khúc cong tại cổ Rùa tiếp tục bị sạt lở

Luận án đã đề xuất các giải pháp phi công trình và giải pháp công trình để ngăn ngừa và giảm thiểu sạt lở bờ sông tại vị trí cổ Rùa bên nhánh sông phụ Trong đó, giải pháp công trình bằng kè đứng bằng cọc bản chắn bê tông cốt thép đã được đề xuất cho vị trí sạt lở ở cổ Rùa bên nhánh sông phụ

iv

ABSTRACT

Bank erosion and channeling are processes that occur with river-beds, which have negative impacts on the livelihoods of people and the loss of social assets This thesis research studies the bank erosion issue at Cu Lao Rua (Thanh Hoi Island) located on Dong Nai river in Thanh Hoi commune, Tan Uyen town, Binh Duong province

The situation of bank erosion at Cu Lao Rua has been going on for a long time, the rate of bank erosion has increased after the Tri An hydropower plant went into operation At the same time, sand extraction activities in the riverbed have increasingly become a serious problem These reasons posed the intensity and risk of bank erosion at Cu Lao Rua Currently, due to the rapid erosion process, Cu Lao Rua is at risk of being cut in two parts at the turtleneck position Therefore, the study on the mechanism and causes of bank erosion and landslides at Cu Lao Rua is a vital of concern in order to propose effective measures for controlling and preventing erosion events

Within the mainstay of this thesis, a tool for bank erosion calculation (named as STABI) has been constructed This calculation tool integrates 3 basic modules, including: (i) Module for calculating seepage flow at the riverbank; (ii) Module for stability analysis; and (iii) Module for bank erosion calculation In addition, the thesis’ author has applied F28 software in the combination of STABI to create a supporting tool for assisting the study on the changes of flow and evolution problem completely By applying the F28 software, an integrated 1D2D3D calculation model for flow and riverbed erosion was constructed in which Turtle Isle was modeled in the 3D visualization With combination of F28 software and the STABI tool, the shoreline evolution model was established to identify the mechanism and causes of bank erosion and landslides at the study area Research results show that the main cause of bank erosion is secondary eddies caused by curved river beds The flow at the curved neck is the cause of bottom erosion and river bank erosion Rivers erode when the level of erosion reaches a threshold that destabilizes the banks Calculations show that after 321 days a landslide can occur, the landslide is about 3.8 m wide The calculated results can confirm that landslides will definitely occur However, the time and extent of landslides are not very reliable because the data is incomplete and the model is not well calibrated

The results achieved by F28 software has clearly shown the 3D flow structure at Cu Lao Rua Further, the F28 software also provides the rates of riverbed erosion and bank erosion caused by shoreline currents for SATBI calculation tool By combining

vi

MỤC LỤC

MỤC LỤC VIDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU XIICÁC TỪ VIẾT TẮT XIIIDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU XIV

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1.Tổng quan sạt lở bờ sông trên thế giới, Việt Nam và khu vực nghiên cứu 6

1.1.1 Tổng quan sạt lở bờ sông trên thế giới, Việt Nam 6

1.1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu 7

1.1.2.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 7

1.1.2.2 Đặc điểm địa hình 10

1.1.2.3 Đặc điểm địa chất 10

1.1.2.4 Chế độ thủy văn, dòng chảy 11

1.1.2.5 Hiện trạng hệ thống các công trình giao thông, thủy lợi 11

1.1.2.6 Tình hình giao thông thủy khu vực nghiên cứu 11

1.1.3 Các nghiên cứu đã thực hiện tại Cù lao Rùa 12

1.2.Tổng quan về phương pháp mô hình toán nghiên cứu xói lở bờ sông131.2.1 Cơ chế vật lý 13

1.2.1.1 Xâm thực 14

1.2.1.2 Di chuyển bùn cát 29

1.2.1.3 Bồi tụ 35

1.2.2 Mô hình tính toán 37

1.2.2.1 Mô hình diễn biến lòng sông với vật liệu kết dính 38

1.2.2.2 Mô hình diễn biến lòng sông với vật liệu không kết dính 45

1.3.Tổng quan các giải pháp công trình chống sạt lở bờ sông 47

1.3.1 Các giải pháp sinh học 47

1.3.2 Các giải pháp sinh học kết hợp xây dựng công trình 47

1.3.3 Chống xói lở bằng các giải pháp công trình bảo vệ bờ trực tiếp 48

1.3.4 Giải pháp công trình bảo vệ bờ gián tiếp (giải pháp chủ động) 49

2.2.1.1 Phương trình cơ bản và điều kiện biên 59

2.2.1.2 Phương pháp giải 60

2.2.1.3 Biến thiên của lưới tính 64

2.2.1.4 Tính toán kiểm tra 65

2.2.2 Module phân tích tính ổn định bờ và tính toán sạt lở 70

3.2.Xây dựng các mô hình toán 81

3.2.1 Mô hình dòng chảy và bồi xói lòng sông (Mô hình 1) 81

3.2.1.1 Lưới tính 81

3.2.1.2 Điều kiện biên 83

3.2.1.3 Các thông số mô hình 83

3.2.1.4 Hiệu chỉnh mô hình 84

3.2.2 Mô hình xói mòn và sạt lở bờ (Mô hình 2) 86

3.3.Kết quả tính toán trường vận tốc 87

3.3.1 Trường vận tốc 87

3.3.2 Ứng suất ma sát trên bề mặt lòng sông 91

3.3.2.1 Ứng suất ma sát trên bề mặt đáy sông 91

3.3.2.2 Ứng suất ma sát trên bề mặt bờ sông 92

3.4.Dự báo bồi xói và sạt lở khu vực Cù lao Rùa 94

3.4.1 Tốc độ xói đáy 94

4.1.Các giải pháp phi công trình 101

4.2.Các giải pháp công trình chống sạt lở đất tại vị trí cổ Rùa bên nhánh sông phụ 102

4.2.4 Xây dựng thang điểm đánh giá 109

4.2.5 Kết quả lựa chọn 3 phương án Kè tường đứng bằng cọc bản chắn BTCT, Kè tường góc BTCT trên nền cọc, Kè tường đứng bằng BTCT Dự ứng lực 109

4.3.Kết luận chương 110

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 112

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC 1: LIÊN KẾT CÁC MÔ HÌNH CON 126

PHỤ LỤC 2: DANH SÁCH CÁC CHUYÊN GIA LẤY Ý KIẾN PHỤC VỤ LUẬN ÁN VÀ TỔNG HỢP KẾT QUẢ LẤY Ý KIẾN CHUYÊN GIA 129

https://www.nps.gov/grca/learn/nature/grca-Hình 1.5 Xói lở bờ sông Vàm Nao 15

Hình 1.6 Các lực tác dụng lên hạt bùn cát (trên đáy ngang) 16

Hình 1.7 Ngưỡng khởi động của hạt bùn cát trên đáy phẳng, Shields (1936) 17

Hình 1.8 Các dạng chuyển động của bùn cát 20

Hình 1.9 Sơ đồ phân tích độ ổn định của bờ sông tự nhiên chống lại trượt phẳng 25

Hình 1.10 Sơ đồ phân tích độ ổn định của bờ sông tự nhiên chống lại trượt cung tròn 27Hình 1.11 Sơ đồ phân tích độ ổn định của bờ sông tự nhiên chống lại trượt hẫng 28

Hình 1.12 Bồi Nguồn: https://worldrivers.net/2020/04/02/sediment-deposition/ (tra cứu ngày 17/10/2022) 36

Hình 1.13 Sơ đồ logic tính toán diễn biến lòng dẫn 37

Hình 1.14 Sơ đồ tính của Osman và Thorne [13, 25] 38

Hình 1.15 Bờ sông sau sạt lở lần đầu (a) và ở những lần sạt lở kế tiếp (b) 39

Hình 1.16 Tính toán bào mòn bờ sông bởi dòng chảy [32] 40

Hình 1.17 Sơ đồ lưới tính thấm và tính ổn định tại bờ sông của Darby và ctg [63] 41

Hình 1.18 Các lớp đất bờ sông 41

Hình 1.19 Sơ đồ tính toán ổn định bờ sông [67] 42

Hình 1.20 Sơ đồ xói ngang tại chân bờ sông [67] 43

Hình 1.21 Sơ đồ tính xói lở bờ của Lai [74] (Đường G’ABC – biên dạng bờ ban đầu; GFIBC – biên dạng bờ sau xói; GDIE – biên dạng bờ sau sạt lở) 45

Hình 1.22 Sơ đồ xói bờ của Hasegawa [77] 46

Hình 2.1 Sơ đồ tính xói ngang bờ 58

Hình 2.2 Sơ đồ bài toán dòng chảy thấm 59

Hình 2.3 Phần tử tam giác 62

Hình 2.4 Sơ đồ dịch chuyển lưới tính 65

Hình 2.5 Sơ đồ bài toán thấm qua đập đất hình chữ nhật 66

x

Hình 2.6 Lưới tính, trường vận tốc ở trạng thái ổn định và so sánh mặt bão hòa (các dấu tam giác: tính toán của Kazemzadeh-Parsi và Daneshmand [85]; các dấu hình thoi:

tính toán của Dou và ctg [84]; dấu tròn: lời giải của Lee và Leap [86]) 66

Hình 2.7 Sơ đồ bài toán thấm qua đập đất chữ nhật 67

Hình 2.8 Điều kiện biên cột áp tại mặt hạ lưu đập 68

Hình 2.9 Lưới tính tại phút 85 và đường bão hòa tại các thời điểm (Đường liền: tính toán; Đường gạch: kết quả tính của Bazyar và Talebi [87]) 68

Hình 2.10 Sơ đồ bài toán 69

Hình 2.11 Dao dộng của mặt bão hòa tại bốn vị trí 70

Hình 2.12 Sơ đồ tính ổn định cung trượt 71

Hình 2.13 Sơ đồ xác định cung trượt nguy hiểm 72

Hình 2.14 Sơ đồ dịch chuyển lưới 72

Hình 3.8 Biên dạng mặt cắt nghiên cứu 87

Hình 3.9 Hình ảnh đặc trưng trường vận tốc trên mặt thoáng tại Cù lao Rùa và 2 khu vực có xoáy thứ cấp phát triển mạnh 88

Hình 3.10 Trường vận tốc tại khu vực cổ Rùa 88

Hình 3.11 Thành phần vận tốc tiếp tuyến và pháp tuyến với mặt cắt 1-1 89

Hình 3.12 Thành phần vận tốc tiếp tuyến và pháp tuyến với mặt cắt 2-2 89

xi

Hình 3.13 Trường vận tốc tại khu vực 2 90

Hình 3.14 Thành phần vận tốc tiếp tuyến và pháp tuyến với mặt cắt 3-3 90

Hình 3.15 Thành phần vận tốc tiếp tuyến và pháp tuyến với mặt cắt 4-4 91

Hình 3.16 Ứng suất ma sát đáy khi dòng triều xuống mạnh nhất (đơn vị: N/m2) 92

Hình 3.17 Ứng suất ma sát đáy khi dòng triều lên mạnh nhất (đơn vị: N/m2) 92

Hình 3.18 Vận tốc tại thủy trực sát bờ sông lúc triều lên và xuống mạnh nhất 93

Hình 3.19 Diễn biến mực nước triều tại khu vực vào ngày 8/2/2016 93

Hình 3.20 Diễn biến ứng suất ma sát trên mái bờ sông vào ngày 8/2/2016 94

Hình 3.21 Mức độ bồi xói đáy sau 28 ngày mùa kiệt (giá trị dương: bồi; đơn vị: mét) 94Hình 3.22 Mức độ bồi xói đáy sau 28 ngày mùa lũ (giá trị dương: bồi; đơn vị: mét) 95

Hình 3.23 Tốc độ bồi xói đáy (giá trị dương: bồi; giá trị âm: xói Đơn vị: m/nđ) 95

Hình 3.24 Kết quả tính xói mòn bờ sông tại Cù lao Rùa vào mùa khô và mùa mưa 96

Hình 3.25 Tốc độ bào mòn mái bờ sông tại mặt cắt tính toán 96

Hình 3.26 Diễn biến mực nước ngầm tại các vị trí (X là khoảng cách tới mép bờ) 97

Hình 3.27 Hệ số an toàn của mái dốc bờ sông tương ứng với một số mực nước sông 97Hình 3.28 Diễn biến biên dạng bờ sông theo thời gian 98

Hình 3.29 Sạt lở bờ Cù lao Rùa 99

Hình 4.1 Sơ đồ khái quát bộ chỉ thị 105

Hình 4.2 Hình ảnh Kè tường đứng bằng cọc bản chắn bêtông cốt thép tại sông Thị Nghè, TpHCM 110

xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các giải pháp sinh học kết hợp xây dựng công trình 51

Bảng 1.2 Chống xói lở bằng các giải pháp công trình bảo vệ bờ trực tiếp 52

Bảng 1.3 Các loại Kè áp mái theo vật liệu xây dựng 53

Bảng 1.4 Các kỹ thuật bảo vệ bờ gián tiếp 55

Bảng 2.1 Cao độ điểm rỉ nước 67

Bảng 2.2 Cao độ điểm rỉ nước ở các thời điểm (m) 69

Bảng 2.3 Hệ số Nash-Sutcliff 70

Bảng 2.4 Chức năng các module 78

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của mô hình 87

Bảng 4.1 Tính trọng số cho nhóm chủ đề đánh giá lựa chọn công nghệ 105

Bảng 4.2 Thứ tự tầm quan trọng của từng chỉ thị theo chủ đề kinh tế 106

Bảng 4.10 Tính trọng số chi tiết cho các tiêu chí đánh giá lựa chọn công trình 108

Bảng 4.11 Kết quả đánh giá đa tiêu chí lựa chọn các phương án công nghệ cho điểm sạt lở nhánh sông phụ 109

CCHE2D : Comprehensive Compartmentalized

Hydrodynamic Engineering 2-Dimensional ĐHQG Tp.HCM : Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

GWSE : Ground water suface elevation(độ cao bề mặt nước ngầm)

LATS : Luận án Tiến sĩ NCS : Nghiên cứu sinh

SRH-2D : Sedimentation and River Hydraulics – Two-Dimension (Trầm tích và Thủy lực sông – Hai chiều)

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam Tp.HCM : Thành phố Hồ Chí Minh

WSE : Water suface elevation (độ cao mặt nước)

14 FD Lực cản hoặc lực gây trượt trên một đơn vị chiều rộng của khối trượt

N 15 FR lực chống trượt trên một đơn vị chiều rộng của khối

50 b,cr,i ứng suất đáy tới hạn của cỡ hạt i có kích thước di N/m2

1

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của nghiên cứu

Sạt lở bờ sông đã và đang xảy ra nhiều nơi, là mối nguy hiểm cho đời sống của con người ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam làm ảnh hưởng đến tính mạng và cuộc sống của nhiều người, ảnh hưởng đến với môi trường, tài nguyên và nhiều vấn đề khác

Sông Đồng Nai là hệ thống sông lớn thứ 3 của Việt Nam, đây là hệ thống sông có vai trò rất quan trọng trong cấp nước phục vụ công cuộc phát triển kinh tế - xã hội các tỉnh miền Đông Nam bộ Trong những năm gần đây, tình hình diễn biến sạt lở hệ thống sông Đồng Nai diễn ra theo chiều hướng khá phức tạp

Cù lao Rùa thuộc xã Thạnh Hội, thị xã Tân Uyên (Bình Dương) cách đập Trị An 44km về phía hạ du sông Đồng Nai là Di tích khảo cổ học Quốc Gia, trong những năm gần đây là một trong những điểm nóng về sạt lở

Hiện nay trên toàn bộ Cù lao có khoảng 7 điểm sạt lở với tổng chiều dài khoảng 2,5km đang đứng trước nguy cơ bị chia cắt ra làm hai tại vị trí cổ rùa Vì vậy nghiên cứu xác định cơ chế và nguyên nhân sạt lở Cù lao Rùa để từ đó chỉ ra giải pháp chống sạt lở hiệu quả là cần thiết Ngoài ra, bồi xói là một bài toán phức tạp, các công cụ tính toán có thể tiếp cận được ở trong nước hiện nay cũng như các phần mềm thương mại trên thế giới chỉ tính toán xói đáy, chưa tính được xói ngang bờ nên việc đánh giá nguy cơ sạt lở bờ vì vậy sẽ còn bỏ sót một số yếu tố quan trọng nên việc nghiên cứu công cụ tính toán đầy đủ về sạt lở bờ, diễn biến lòng dẫn gồm cả quá trình bồi xói đáy lẫn xói ngang bờ là cần thiết Trên cơ sở đó đề tài “Nghiên cứu tính toán xói mòn, sạt lở bờ sông Đồng Nai khu vực Cù lao Rùa và đề xuất giải pháp giảm thiểu” được lựa chọn để thực hiện trong Luận án tiến sĩ kỹ thuật

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát: Đánh giá hiện trạng, tính toán và dự báo xói mòn, sạt lở bờ sông Đồng Nai khu vực Cù Lao Rùa và đề xuất giải pháp kiểm soát

2 Mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng phương pháp tính toán sạt lở bờ phù hợp cho đoạn sông cong, sông có cù lao - Xác định cơ chế, nguyên nhân sạt lở Cù lao Rùa và dự báo diễn biến

- Đề xuất các giải pháp kiểm soát tác động, ngăn ngừa và giảm thiểu sạt lở

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án: sạt lở bờ sông Phạm vi và giới hạn nghiên cứu của Luận án:

- Loại bờ sông: Vật liệu bờ sông thuộc loại kết dính và đồng nhất (không phân lớp); - Tác nhân gây sạt lở: quá trình xói mòn bờ và đáy sông bởi dòng chảy;

- Khu vực áp dụng thử: Nhánh sông phụ của đoạn sông Đồng Nai ngang qua Cù lao Rùa, xã Thạnh Hội, thị xã Tân Uyên, tỉnh Bình Dương

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu nêu trên, các nội dung nghiên cứu sau đây đã được thực hiện: Nội dung 1: Hệ thống hóa cơ sở khoa học về phương pháp mô hình toán nghiên cứu xói lở bờ sông, các giải pháp công nghệ bảo vệ bờ hiệu quả, tổng quan khu vực nghiên cứu và các nghiên cứu đã thực hiện tại Cù lao Rùa

Nội dung 2: Xây dựng cơ sở khoa học tính toán và đánh giá sạt lở, gồm: Module tính toán xói ngang bờ bởi dòng chảy; Module tính toán dòng chảy thấm; Module phân tính ổn định bờ và tính toán sạt lở; và Tích hợp các modules tính toán

Nội dung 3: Nghiên cứu và đánh giá diễn biến sạt lở bờ sông khu vực Cù lao Rùa gồm xây dựng các mô hình toán (Mô hình dòng chảy và bồi xói lòng sông, Mô hình xói mòn và sạt lở bờ); Tính toán trường vận tốc; Dự báo bồi xói và sạt lở khu vực Cù lao Rùa bao gồm tốc độ xói đáy, tốc độ bào mòn bờ và Dự báo sạt lở

Nội dung 4: Đề xuất các giải pháp kiểm soát tác động, ngăn ngừa và giảm thiểu sạt lở bờ tại khu vực Cù lao Rùa, bao gồm: các giải pháp phi công trình và giải pháp công

3

trình chống sạt lở đất tại vị trí cổ Rùa ở nhánh sông phụ.

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các nội dung nêu trên, các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được áp dụng:

- Phương pháp kế thừa, phân tích - tổng hợp có chọn lọc thông tin: Được sử dụng

trong phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, kế thừa, phân tích, tổng hợp có chọn lọc các kết quả nghiên cứu có liên quan Đây là nguyên tắc cơ bản trong nghiên cứu khoa học, tiết kiệm được thời gian, công sức và kinh phí

- Phương pháp khảo sát thực địa: Tiến hành đi thực địa để thu thập các tài liệu, khảo

sát bổ sung điều kiện tự nhiên, quan sát sạt lở bờ sông khu vực Cù lao Rùa…

- Phương pháp mô hình toán số: giải các phương trình vi phân mô tả chuyển động của

nước ngầm khu vực bờ sông, quá trình bào mòn mái dốc bờ sông bởi dòng chảy và tính ổn định mái dốc bờ sông

- Phương pháp chuyên gia: Xin ý kiến của các nhà khoa học, nhà quản lý có trình độ

chuyên môn, có kinh nghiệm về những lĩnh vực nghiên cứu của Luận án để nhận được sự đóng góp cho Luận án nhằm tăng thêm nguồn thông tin và độ tin cậy trong các kết quả nghiên cứu của Luận án Tham vấn ý kiến chuyên gia đa ngành để xem xét và giải quyết bài toán dưới góc độ tổng hợp Đồng thời sử dụng phương pháp chuyên gia cho việc thực hiện phương pháp đa tiêu chí nhằm đề xuất giải pháp tối ưu Các bước như sau: (1) Các chuyên gia góp ý để lựa chọn các chủ đề và các tiêu chí cho từng chủ đề; (2) Các chuyên gia đánh giá sàng lọc các tiêu chí cho từng chủ đề: Kinh tế; Kỹ thuật công trình; Điều kiện công trình; Mỹ thuật, môi trường để có được thứ tự tầm quan trọng từng chỉ thị; (3) Chuyên gia góp ý cho các tiêu chí đánh giá, thang điểm đánh giá cho các tiêu chí của từng chủ đề cho 03 phương án, từng phương án lấy điểm trung bình làm điểm đánh giá, trên cơ sở đó chọn công trình có điểm đánh giá tổng hợp cao nhất

- Phương pháp đa tiêu chí “Trọng số cộng đơn giản” – phương pháp SAW”: dùng để

đánh giá và chọn các tiêu chí có ý nghĩa và quan trọng và tính toán trọng số cho từng chủ đề Các bước đánh giá lựa chọn giải pháp công nghệ bằng phương pháp SAW: (1) Lập bảng tính trọng số cho nhóm chủ đề đánh giá lựa chọn công nghệ: (2) Lập bảng

4

tính trọng số cho từng tiêu chí trong mỗi chủ đề; (3) Lập bảng tích hợp trọng số nhóm và trọng số cho từng tiêu chí để có trọng số đánh giá; (4) Lập bảng tính điểm kết luận để quyết định chọn giải pháp công nghệ

6 Điểm mới của Luận án

- Đã xây dựng được mô hình STABI tính toán xói mòn, sạt lở bao gồm: Module tính toán dòng chảy thấm; Module phân tích ổn định bờ và tính toán sạt lở; Tính toán kiểm tra với các bài toán cơ bản nhằm so sánh với các nghiên cứu khác với tính tương đồng rất cao

- Đã xây dựng Module tính toán xói ngang bờ bởi dòng chảy để bổ sung vào phần mềm F28 để tính toán tốc độ xói đáy, tốc độ bào mòn bờ bởi dòng chảy, diễn biến lòng dẫn và xói mòn làm số liệu đầu vào cho mô hình STABI Kết quả tính toán dòng thấm ở bờ sông, phân tích ổn định bờ, xác định cung trượt nguy hiểm nhất cho thấy khi cung trượt nguy hiểm nhỏ hơn 1,0 thì xảy ra sạt lở

- Đã áp dụng công cụ STABI, cùng phần mềm F28 để mô phỏng cấu trúc dòng chảy chi tiết ở mức độ 3D; tính toán; đánh giá sạt lở bờ sông khu vực Cù lao Rùa Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên nhân chủ yếu gây ra sạt lở bờ là các xoáy thứ cấp do lòng sông cong; Dòng chảy tại đoạn cổ cong là nguyên nhân gây ra quá trình xói đáy và bào mòn bờ sông; Sông bị sạt lở khi mức độ xói đạt ngưỡng làm mất ổn định bờ - Đã đề xuất các giải pháp phi công trình và công trình nhằm giảm thiểu quá trình xói mòn; sạt lở bờ sông Luận án đã sử dụng phương pháp đa tiêu chí (bao gồm các tiêu chí kinh tế, kỹ thuật, điều kiện công trình, môi trường, thẩm mỹ) để lựa chọn công nghệ chống xói mòn, sạt lở Cù lao Rùa Công nghệ kè tường đứng bằng cọc bản chắn bê tông cốt thép được lựa chọn chống sạt lở Cù lao Rùa

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

Với kết quả nghiên cứu là cho ra đời một công cụ tính toán mới (STABI) trong đó dòng chảy tính bằng mô hình 3D nên ứng suất ma sát trên bề mặt lòng sông đã được tính toán trực tiếp, nghiên cứu của Luận án đã có một đóng góp nhỏ có ý nghĩa khoa học là đã đẩy phương pháp tính toán bước thêm được một bước nữa Ngoài ra công cụ STABI hoàn toàn có thể được ứng dụng vào tính toán thực tế nên nghiên cứu của Luận

5 án là có giá trị về mặt thực tiễn

Ngoài ra, giá trị thực tiễn từ nghiên cứu là nâng cao tính toàn diện và độ chính xác trong đánh giá xói lở, sử dụng phương pháp phân tích đa tiêu chí, xác định các yếu tố cần thiết cho việc quản lý tổng hợp để lựa chọn giải pháp công nghệ phù hợp nhằm chống sạt lở khu vực Cù lao Rùa Từ đó giúp cho các nhà quản lý đưa ra các biện pháp kiểm soát xói lở một cách khoa học và phù hợp với thực tiễn và yêu cầu phát triển bền vững và tăng cường lợi ích sinh thái cho người dân trong khu vực

8 Cấu trúc của Luận án

Luận án được bố cục như sau: Phần Mở đầu – trình bày sự cần thiết, mục tiêu, đối tượng và

phạm vi nghiên cứu, những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Cơ sở khoa học tính toán và đánh giá sạt lở, xói mòn

Chương 3 Tính toán và đánh giá diễn biến sạt lở bờ sông khu vực Cù lao Rùa

Chương 4 Đề xuất các giải pháp kiểm soát tác động, ngăn ngừa và giảm thiểu sạt lở bờ tại khu vực Cù lao Rùa

Kết luận và kiến nghị

Danh mục công trình đã công bố: Trong quá trình thực hiện Luận án, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí trong nước (02 bài báo), 01 bài báo trên tạp chí nước ngoài Ngoài ra, NCS đã tham gia 01 đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường và đã được nghiệm thu

Tài liệu tham khảo: Thể hiện 91 tài liệu tham khảo được trích dẫn và sử dụng Phụ lục 1: Liên kết các mô hình con

Phụ lục 2: Danh sách các chuyên gia lấy ý kiến phục vụ Luận án và tổng hợp kết quả lấy ý kiến chuyên gia

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan sạt lở bờ sông trên thế giới, Việt Nam và khu vực nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan sạt lở bờ sông trên thế giới, Việt Nam

Sạt lở bờ sông hiện đã trở thành một hiện tượng phổ biến, đã và đang là mối nguy hiểm cho đời sống của con người ở nhiều nước trên thế giới Mỗi năm có hàng triệu người bị ảnh hưởng bởi sạt lở bờ sông làm phá hủy tài nguyên như đất nông nghiệp, nhà cửa, đường xá, cây trồng và sinh mạng con người Tác động của sạt lở bờ sông không chỉ đối với cuộc sống con người mà còn đối với môi trường, kinh tế, y tế, giáo dục, giao thông, định cư,

Những nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, các nước ở khu vực Anpơ, Bắc Mỹ, Nam Mỹ là những nước thường xuyên xảy ra hiện tượng sạt lở bờ sông, diễn biến lòng dẫn nói riêng Nhận thức được mối hiểm hoạ này, hầu hết các nước như Mỹ, Nga, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung Quốc … đã tập trung nghiên cứu dự báo diễn biến sạt lở bờ sông, lòng dẫn đưa ra các giải pháp phòng chống, phòng tránh, giảm đến mức thấp nhất thiệt hại do chúng gây ra, mang lại hiệu quả thiết thực cho đời sống của con người

Ở Việt Nam, theo tài liệu tham khảo từ đề tài “Nghiên cứu dự báo diễn biến sạt lở, đề xuất các giải pháp để ổn định bờ sông và quy hoạch sử dụng vùng ven sông phục vụ mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội vùng hạ du hệ thống sông Đồng Nai” của P.T.H.Lan [1].thì trong những năm gần đây, tình hình sạt lở bờ sông, bờ biển trên phạm vi cả nước đang có xu thế gia tăng và diễn biến ngày càng phức tạp gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh, kinh tế Theo con số thống kê, trên các lưu vực sông suối cả nước, hiện có trên 737 điểm sạt lở với tổng chiều dài trên 1257km Trong đó, miền Bắc có 165 điểm với chiều dài 252 km, miền Trung có 307 điểm với chiều dài 555km và miền Nam có 265 điểm với chiều dài 450 km

Sông Đồng Nai là hệ thống sông lớn thứ 3 của Việt Nam, sau hệ thống sông Hồng - Thái Bình và sông Mê Kông Hệ thống sông Đồng Nai chảy qua địa phận hành chính của 11 tỉnh/thành phố là Lâm Đồng, Đắc Nông, Đồng Nai, Bình Phước, Bình Dương, Tây Ninh, Long An, Bình Thuận, Bà Rịa-Vũng Tàu và Thành phố Hồ Chí Minh Đây

1.1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu

1.1.2.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu

Cù lao Rùa thuộc xã Thạnh Hội là địa danh, thuộc xã Thạnh Hội, thị xã Tân Uyên (Bình Dương) được bao bọc bởi dòng chảy chính của sông Đồng Nai và dòng chảy phụ tẻ nhánh bao trọn cù lao nhập vào dòng chính và chảy xuôi về Sài Gòn Nhìn từ trên cao, vùng đất cù lao trông giống như một con Rùa nên được gọi là Cù lao Rùa

Cù lao Rùa là nơi có nhiều giá trị lịch sử, văn hóa, xã hội và khảo cổ học, nơi đây đã phát hiện một di tích khảo cổ có niên đại 3.500 - 3.000 năm, là nơi mang nhiều dấu ấn của công cuộc mở mang bờ cõi về phía Nam của dân tộc Khu khảo cổ đã được nhà nước công nhận là khu di tích khảo cổ cấp Quốc gia vào năm 2009

Hình 1.1 Bản đồ không ảnh Cù lao Rùa (Nguồn: thanh-hoi-tan-uyen-bao-vat-3-000-nam-giua-menh-mong-song-nuoc/)

Sau phân lưu với nhánh sông phụ, nhánh sông chính chảy dọc theo chiều dài cù lao Đoạn này khá thẳng và có chiều dài khoảng 3,6km; đến cuối Cù lao thì dòng chính đổi hướng vuông góc sang phải với chiều dài khoảng 1,5km và hợp lưu với nhánh sông phụ Nhánh sông phụ có chiều dài 6,3km, rộng 120÷220m Đoạn hẹp nhất ở vị trí cổ Rùa Cao trình đáy sông trung bình khoảng -6m÷ -7m và có xu hướng sâu dần về hạ lưu, dòng sông uốn khúc liên tục Nhánh sông phụ có 3 hố xói, hố xói 1 đối diện với cửa ra kênh Tổng Bản sát bờ Cù lao, cao độ đáy hố xói -9,0m, sâu nhất tại vị trí cuối hố khoảng -11m, dài khoảng 600m; hố xói 2 tại đỉnh cong uốn khúc tại cổ Cù lao, cao độ đáy hố xói khoảng -10m, chiều dài hố xói khoảng 400m; hố xói 3 ở giữa lòng sông tại hạ lưu cầu Thạnh Hội, dài khoảng 200m và cao độ đáy hố xói -12m

Theo khảo sát của N.Q Dũng [2], toàn bộ Cù lao Rùa hiện nay có 7 đoạn đang xảy ra tình trạng sạt lở với mức độ khác nhau được giới thiệu trên Hình 1.2

Đoạn 1 tại cổ rùa bên nhánh sông chính Đoạn này dài 500m, các vách sạt lở hình thành dọc bờ sông Phần lớn bề mặt vách có dạng dốc đứng, góc dốc 80-90o Chiều cao vách đứng khoảng từ 2,0m đến 3.0m

Đoạn 2 ở cuối Cù lao Rùa bên nhánh sông chính Đoạn này dài 300m Trên đoạn này có một số điểm sạt lở cục bộ với chiều dài khoảng từ 10-30m, phần lớn mái bờ sông có dạng dốc đứng, chiều cao vách đứng 2,5m đến 3,0m Tại vị trí sạt lở tại mỏm đuôi rùa đang được người dân xây dựng bờ kè với chiều dài 75m và 45m Kết cấu kè bằng hệ cọc kết hợp tấm đan BTCT

9

Hình 1.2 Vị trí các đoạn sạt lở đất tại Cù lao Rùa

Đoạn 3 ở cuối Cù lao Rùa bên nhánh sông phụ, đoạn này dài 350m Toàn bộ đoạn này đang bị sạt lở Phần lớn bề mặt vách có dạng dốc đứng (góc dốc 80-90o) Chiều cao vách đứng khoảng từ 1,5m đến 2,5m

Đoạn 4 bên nhánh sông phụ, dài 750m Trên đoạn này có một điểm sạt lở khá nghiêm trọng xen kẽ nhau Phần lớn bề mặt vách có dạng dốc đứng (góc dốc 80-90o) Chiều cao vách đứng khoảng từ 2,0m đến 3,0m Trên đoạn này có 02 kè do dân tự xây dựng theo dạng tường đứng có tổng chiều dài khoảng 70m

Đoạn 5 dài khoảng 350m, sạt lở trên toàn bộ chiều dài Phần lớn bề mặt vách có dạng dốc đứng (góc dốc 80-90o) Chiều cao vách đứng khoảng từ 2,5m đến 3,0m Đặc biệt có một số vị trí chiều cao vách đứng lên đến 3,5-4,0m

Đoạn 6 Đầu rùa (đối diện rạch Tổng Bản), 250m Khoảng 100m đã được người dân gia cố bằng đá đổ Đoạn còn lại chưa được gia cố vẫn đang bị sạt lở

Đoạn 7 Đầu rùa (đối diện rạch Tổng Bản) Cách đoạn 6 khoảng 180m về phía thượng lưu 60m Chiều sâu vào bờ khoảng 6m; Vách đứng cao khoảng 2,5m

Tổng chiều dài 7 điểm sạt lở khoảng 2,5km, trong đó đoạn hẹp nhất của Cù lao gọi là

10

"cổ rùa" bị xói lở rất nhiều bên phía dòng sông phụ, chiều rộng chỉ còn khoảng 85m, nếu xói lở tiếp tục đoạn "cổ rùa" chắc chắn sẽ bị "cắt", lúc đó sông lớn và sông con nhập lại và quá trình xói lở sẽ gia tăng hơn nữa Do đó, Luận án tập trung nghiên cứu sạt lở và đề xuất giải pháp cho vị trí sạt lở tại khu vực vực cổ Rùa bên nhánh sông phụ

1.1.2.2 Đặc điểm địa hình

Theo kết quả khảo sát địa hình do N.Q Dũng thực hiện tháng 8/2017, Cù lao Rùa thuộc dạng địa hình đồng bằng khá bằng phẳng với cao độ trung bình (+2 ÷ +4) m, cao nhất là +17,5 tại Chùa Khánh Sơn Địa hình có xu hướng dốc dần từ Đông sang Tây

1.1.2.3 Đặc điểm địa chất

a Đặc điểm chung

Trong khu vực sông Đồng Nai (đoạn từ Tân Uyên đến cầu Đồng Nai) uốn khúc phức tạp theo hướng Đông Bắc xuống phía Tây và vòng xuống Đông Nam; thung lũng sông có chiều rộng thay đổi từ 0,8km đến 6km chảy trong các phù xa cổ gồm các thành tạo trầm tích của đoạn sông Đồng Nai Phù sa cổ gồm trầm tích Pleistocen giữa – muộn và trầm tích Pleistocen muộn, các phù xa cổ trong khu vực nghiên cứu thuộc hệ tầng Thủ Đức và Củ Chi phân bố tập trung ở tây bắc, nam và phía đông Phù sa cổ phân bố ven sông Đồng Nai và phần lớn cũng chính là sườn vách và đáy của đoạn thung lũng sông Đồng Nai trong khu vực Ngoài ra, thung lũng sông Đồng Nai trong khu vực còn có sự hiện diện của nhiều cù lao hiện tại (Cù lao Bạch Đằng, Cù lao Rùa, Cù lao Phố)

Các trầm tích Holocen phát triển trên mặt nền phù sa cổ trong thung lũng sông và có chiều rộng từ 0,8 đến 6km, gồm nhiều nguồn gốc: Nguồn gốc sông có các trầm tích: sông suối (aQ22-3), đê tự nhiên (aQ23), doi sông (aQ2) hiện nay, tại khu vực nghiên cứu ở các cù lao đang được hình thành và phát triển; nguồn gốc hỗn hợp có các trầm tích: đầm lầy – biển (abQ2), sông – đầm lầy của vết uốn khúc (abQ23) Trong đó, các trầm tích doi cát ven sông – cù lao sông được gộp chung là “trầm tích doi cát ven sông – cù lao sông không phân chia”

b Đặc điểm địa chất công trình

Theo kết quả nghiên cứu của N.Q Dũng [2], đặc điểm địa chất tại khu vực nghiên cứu thấy rằng, bờ sông bao gồm các lớp 1, lớp 2a, 2b, lớp 2 và lớp 3 Trong đó, lớp 1, lớp

11

2, lớp 3 là các lớp sét dẻo mềm, dẻo chảy với thành phần chủ yếu là hạt bụi và hạt sét có các chỉ tiêu độ bền rất nhỏ, rất dễ bị cuốn trôi khi có dòng chảy lớn hoặc sóng do tàu Lớp thấu kính cát nằm ở cao độ -3m đến -6m, lớp này khi kết hợp dòng thấm và lưu tốc đáy sông lớn rất dễ bị đào xói, tạo hàm ếch phía dưới gây sụp lở mái sông

1.1.2.4 Chế độ thủy văn, dòng chảy

Sông Đồng Nai đoạn sau đập Trị An chịu sự chi phối sâu sắc bởi thủy điện Trị An, dòng chảy trên sông Bé và ảnh hưởng của chế độ bán nhật triều biển Đông có biên độ lớn (2,0÷4,0 m), lên xuống ngày 2 lần, với hai đỉnh xấp xỉ nhau và hai chân lệch nhau khá lớn Thời gian giữa hai chân và hai đỉnh vào khoảng 12,0÷12,5 giờ và thời gian một chu kỳ triều ngày là 24,83 giờ

Do ảnh hưởng của chế độ mưa, dòng chảy cũng phân làm 2 thời kỳ trong năm: mùa lũ và mùa kiệt tương ứng với mùa mưa và mùa khô trong năm Mực nước lên xuống 2 lần/ ngày đêm với biên độ lớn (2  4m) làm cho đất bờ sông khô ướt liên tục dẫn đến suy giảm liên kết giữa các hạt đất đồng thời chênh lệch cột nước lớn tạo gradient có xu hướng đẩy khối đất ra ngoài sông

1.1.2.5 Hiện trạng hệ thống các công trình giao thông, thủy lợi

Hiện trạng giao thông: Giao thông nông thôn khá phát triển ở xã Thạnh Hội, đa số các tuyến đường đều đã được thảm nhựa nóng hoặc Bê tông xi măng, số ít còn lại mặt đường bằng sỏi đỏ, đá dăm Xã Thạnh Hội kết nối với xã Thạnh Phước bằng cầu Thạnh Hội, kết nối đường thủy với huyện Vĩnh Cửu và thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Hiện trạng thủy lợi: Hiện chỉ có một số công trình lấy nước, dẫn nước cục bộ do dân tự làm các cống bọng với mục đích để tiêu, lấy nước cho từng ô thửa của mỗi hộ gia đình

1.1.2.6 Tình hình giao thông thủy khu vực nghiên cứu

Trên nhánh sông chính, hoạt động giao thông thủy chủ yếu, diễn ra với lưu lượng khá lớn, khoảng 100 lượt/ngày Loại phương tiện chủ yếu là các sà lan, còn lại là phương tiện ghe bầu Trên nhánh sông phụ, mặc dù đã hạn chế tuyến luồng nhưng vẫn còn một số ít sà lan chở vật liệu ra vào các cảng vật liệu dọc hai bờ sông

Theo quan sát của nhóm khảo sát thấy rằng các sà lan tự hành và ghe bầu có vận tốc

12

lớn hơn nên mức độ rẽ nước lớn, tạo ra sóng khá lớn tác động vào bờ sông (đặc biệt là phía nhánh sông phụ do chiều rộng lòng sông nhỏ) Đây cũng có thể là một trong những tác nhân làm sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu

Tàu thuyền trên sông có tải trọng khá lớn di chuyển với vận tốc cao với khoảng cách khá gần bờ tạo sóng tác động vào bờ có thể là một trong những nguyên nhân gây sạt lở bờ tại khu vực nghiên cứu

1.1.3 Các nghiên cứu đã thực hiện tại Cù lao Rùa

Có một số nghiên cứu có liên quan H.V Huân đã nghiên cứu đề xuất giải pháp ổn định lòng dẫn hạ du hệ thống sông Đồng Nai – Sài Gòn [3] Nghiên cứu xác định nguyên nhân, quy luật diễn biến của lòng sông và quy luật hình thái sông hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn Nghiên cứu cũng dự báo tốc độ xói lở, bồi tụ, tạo hành lang ổn định để khai thác và phát triển bền vững hạ du sông Đồng Nai – Sài Gòn Phương pháp mô hình toán số được sử dụng để làm rõ nguyên nhân và dự báo sạt lở đoạn sông Toàn bộ hệ thống sông đã được mô hình hóa bằng mô hình 1D (MIKE-11) để phân tích diễn biến lòng sông của toàn bộ hệ thống Ba đoạn sông cũng đã được mô hình hóa bằng mô hình 2D (MIKE-21C) để phân tích sâu hơn những thay đổi của lòng sông Tuy nhiên Cù lao Rùa không nằm trong số 3 đoạn sông này Do mô hình được sử dụng là 1D nên quá trình diễn biến lòng dẫn Cù lao Rùa chưa được nghiên cứu chi tiết Các nguyên nhân và quy luật diễn biến lòng dẫn chưa được chứng minh rõ ràng Độ tin cậy của dự báo tốc độ xói lở, bồi tụ chưa cao

N.Q Dũng đã thực hiện nghiên cứu tập trung vào Cù lao Rùa nhằm làm rõ nguyên nhân và dự báo sạt lở đoạn sông này [2] Phương pháp mô hình toán số cũng đã được sử dụng Sông Đồng Nai đoạn Cù lao Rùa đã được mô hình hóa bằng mô hình 2D Tuy nhiên, nghiên cứu còn tồn tại một số hạn chế sau:

- Mô hình 2D Cù lao Rùa không phải là mô hình hoàn chỉnh mà bị tách thành nhiều mô hình con Các mô hình con cho từng khúc sông sau đó được tính riêng biệt và điều này làm mất đi tính thống nhất của bài toán

- Các điều kiện biên cho mô hình 2D được trích xuất từ kết quả tính toán bằng mô hình 1D cho toàn bộ hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai Do đó, những thay đổi của lòng sông được tính toán từ mô hình 2D sẽ làm thay đổi dòng chảy nhưng điều này không

13 được phản ánh trong mô hình 1D

- Sông Đồng Nai đoạn Cù lao Rùa có đặc điểm uốn khúc gấp nên hiệu ứng 3D hiện lên rõ nét Do đó, sử dụng mô hình 2D sẽ không thể hiện chính xác dòng chảy uốn khúc này Do đó, kết quả tính toán vận chuyển bùn cát và sạt lở sẽ kém chính xác hơn - Mô hình mới chỉ tính toán xói đáy, chưa tính được xói ngang bờ nên việc đánh giá nguy cơ sạt lở bờ vì vậy sẽ còn bỏ sót một số yếu tố quan trọng

Hạn chế của hai nghiên cứu nêu trên không phải là cá biệt mà là phổ biến trong nhiều nghiên cứu do các tác giả trong nước thực hiện như của V.T Te [4] hay của H.V Huân [5] Việc sử dụng mô hình 3D mới chỉ được thực hiện trong nghiên cứu của L.M Hùng [6] và của các tác giả L.S Giang và L.M Hùng [7] Gần đây, N.T.T Thảo (năm 2020) đã có thêm một bước tiến trong việc tính toán sạt lở bờ sông đó là sử dụng mô hình 3D tích hợp trong mô hình mạng sông [8] Tuy nhiên tình trạng xói ngang bờ vẫn chưa được xem xét và giải quyết thấu đáo

Đối với các tác giả nước ngoài, các nghiên cứu đã được thực hiện một cách có hệ thống và khá toàn diện Chi tiết về vấn đề này được trình bày ở phần dưới đây

1.2 Tổng quan về phương pháp mô hình toán nghiên cứu xói lở bờ sông

Cho đến nay, một số phương pháp tiếp cận đã được sử dụng trong nghiên cứu các hiện tượng sạt lở Phương pháp cổ điển nhất từng được nhiều nhà nghiên cứu ở thế kỷ 19 và 20 sử dụng là nghiên cứu hình thái học như O Fargue (1827-1910) hay G.K Gilbert (1843-1918) Các nhà nghiên cứu cho rằng giữa các kích thước lòng dẫn và yếu tố

14

động lực tạo ra lòng dẫn có một mối quan hệ xác định [9, 10, 11, 12] Mọi sự “lệch chuẩn” đều dẫn tới gia tăng hoạt động xói lở và/hoặc bồi lắng và lòng dẫn sẽ chỉ đạt trạng thái ổn định khi mối quan hệ hình thái được tái lập Tuy nhiên, cách tiếp cận này có hai hạn chế cơ bản là không thể hiện được quá trình diễn biến bồi xói và không sát được mức độ phức tạp của cấu trúc địa chất và chế độ thủy lực

Một cách tiếp cận hiện đại hơn và đang được giới nghiên cứu sử dụng rộng rãi là tiếp cận động lực học Theo cách tiếp cận này, sự dịch chuyển bùn cát và bồi, xói lòng dẫn là một quá trình cơ học mà cơ chế hoạt động của nó bị điều chỉnh bởi lực tương tác giữa dòng chảy và các hạt bùn cát trong lòng dẫn

Toàn bộ quá trình biến hình lòng dẫn có thể được xem như là một chu trình [13] và được minh hoạ bằng sơ đồ trên Hình 1.3:

Hình 1.3 Chu trình dịch chuyển bùn cát

1.2.1.1 Xâm thực

Lòng dẫn thường được xem là gồm có 2 phần là đáy và bờ nên xâm thực lòng dẫn cũng thường được phân biệt thành 2 hình thức: xói đáy (Hình 1.4) và xâm thực bờ (Hình 1.5) Trong khi xói đáy chỉ là quá trình bào mòn đáy bởi dòng nước thì xâm thực bờ lại gồm 2 cơ chế: bào mòn bởi dòng nước (tương tự xói đáy) và sạt lở

Tốc độ bào mòn của dòng chảy được xác định bởi 2 yếu tố là lực tác động của dòng nước và lực cản chống xói mòn của vật liệu Trong khi đó, sạt lở xảy ra khi trọng lượng của bờ sông vượt qua lực ma sát chống trượt của đất nền Khi đó, khối đất bờ sẽ trượt xuống lòng sông Xói đáy và bào mòn bờ đều có thể dẫn tới hậu quả là bờ sông càng ngày càng dốc hơn và đẩy bờ sông tới trạng thái mất ổn định và sụp đổ

15 Hình 1.4 Xói đáy sông Colorado Nguồn: https://www.nps.gov/grca/learn/nature/grca-

geology.htm?simple=True (tra cứu ngày 17/10/2022)

Hình 1.5 Xói lở bờ sông Vàm Nao

1.2.1.1.1 Xói mòn bởi dòng chảy

Xói mòn xảy ra khi các hạt bùn cát bị dòng chảy đẩy hoặc di chuyển khỏi vị trí ban đầu Để xảy ra xói mòn, lực của dòng chảy tác động lên hạt bùn cát phải vượt quá ngưỡng khởi động của hạt bùn cát, có nghĩa là lực kéo cho hạt bùn cát chuyển động phải vượt lực cản chống xói Do có sự khác nhau về bản chất của lực cản chống xói mà bùn cát được phân thành hai nhóm là bùn cát rời (không dính) và bùn cát dính a) Bùn cát không dính

Bùn cát không dính chủ yếu là cát sỏi và các vật liệu thô hơn Đối với bùn cát không

dính, lực cản chủ yếu đối với xói mòn là trọng lực Chuyển động của hạt bùn cát sẽ xảy ra khi lực tác động tức thời của dòng chảy lên hạt bùn cát lớn hơn lực cản trở tức thời Trong điều kiện dòng chảy ở trạng thái rối với sự ngẫu nhiên của kích thước, hình dạng và vị trí của hạt bùn cát, khởi động của chuyển động của hạt bùn cát sẽ không theo quy luật tất định mà phải được xác định từ quy luật thống kê

Xét một hạt bùn cát không kết dính nằm trên đáy ngang (Hình 1.6) Lực do dòng chảy tác động lên hạt cát bao gồm lực cản (FD) và lực nâng (FL)

Hạt cát bắt đầu chuyển động khi moment của lực cản (FD) và lực nâng (FL) tức thời đối với điểm tiếp xúc lớn hơn moment giữ trọng lượng của hạt chìm trong nước (G):

231 FaG.aa

hay

với:

Biểu thức (1.3) được thiết lập đầu tiên bởi White [14] trong đó 1 phụ thuộc vào số Reynolds cục bộ Lực cản FD được tính:

F    

(1.5) trong đó: CD – hệ số lực cản; d – đường kính hạt;  – khối lượng riêng của nước;

uf – vận tốc dòng chảy tại vị trí trọng tâm hạt

Hình 1.6 Các lực tác dụng lên hạt bùn cát (trên đáy ngang) Vận tốc uf được tính thông qua vận tốc ma sát, u*, như sau:

Lực cản có thể tính như sau:

2*22

17 Trọng lượng hạt trong nước được tính như sau:

 - thông số Shields;

  - thông số Shields ngưỡng; s = s/ - tỷ trọng hạt

Thông số ngưỡng Shields cr phụ thuộc vào điều kiện thủy lực ở vùng gần đáy (số Reynolds Re* u*d  ), hình dạng hạt và vị trí tương đối của hạt đối với các hạt khác Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để xác định cr và trong đó thí nghiệm của Shields cho trường hợp đáy phẳng là được sử dụng rộng rãi nhất [13] Hình 1.7 là đồ thị Shields

Hình 1.7 Ngưỡng khởi động của hạt bùn cát trên đáy phẳng, Shields (1936) Đường cong Shields mô tả sự phụ thuộc của cr vào Re* không thực tế để áp dụng vì vận tốc ma sát đáy u* chỉ có thể được xác định bởi phép lặp Bonnefille [15] và Yalin [16] đã chứng minh rằng đường cong Shields có thể được biểu thị bằng mối quan hệ giữa cr và đường kính hạt vô thứ nguyên, D* Trong dạng quan hệ này, đường cong Shields có thể được biểu diễn bằng các công thức như sau:

không chuyển

động

18 64

cr 

b,cr - ứng suất đáy tới hạn trung bình thời gian

Thí nghiệm với các hạt có hình dạng khác nhau cho thấy hệ số cr không bị ảnh hưởng nhiều bởi hình dạng của các hạt khi sử dụng đường kính danh nghĩa (đường kính lấy từ các hạt có cùng thể tích) được sử dụng làm thông số đặc trưng Các hạt rất phẳng có giá trị cr lớn (từ 1.5 đến 2)

Miller và ctg [17] đưa ra dữ liệu cho thấy cr có giá trị rất lớn đối với bùn cát mịn (D* < 10) Từ những dữ liệu này, Miller và ctg đã đề xuất công thức sau để tính cr dựa vào D* :

b,,  ,

trong đó: b,cr,i - ứng suất đáy tới hạn của cỡ hạt i có kích thước di

 - ứng suất đáy tới hạn của đường kính trung bình dm  

Wu và ctg [19] cũng đề xuất phương pháp xác định ứng suất đáy tới hạn cho từng cỡ hạt của vật liệu đáy, dựa trên xác suất ẩn và xác xuất lộ ra của hạt như sau:

19

ppgd   

 , ,

(1.13a) Trong đó b,cr,i ứng suất đáy tới hạn của cỡ hạt có đường kính di trong hỗn hợp

bùn cát đáy không thuần nhất; θcr là thông số Shields ngưỡng tương ứng với cỡ hạt

trung bình của vật liệu đáy ; pei và phi là xác suất lộ và ẩn của cỡ hạt có đường kính ditrong hỗn hợp bùn cát đáy không thuần nhất ; m là số mũ và theo Wu và ctg [19] thì m = -0,6 Xác suất ẩn và lộ ra của cỡ hạt có đường kính di được tính :

(1.13b) 

 N

(1.13c)

Với pbj là phần trăm các hạt cỡ đường kính dj trong vật liệu đáy Lưu ý là pei + phi = 1 Khi đáy nghiêng góc β so với phương dọc bờ và góc γ so với phương ngang bờ, ứng suất đáy tới hạn được tính như sau [13]:

sinsin 

sinsin 

k - hệ số hiệu chỉnh do độ dốc theo phương ngang bờ Khi đáy không bằng phẳng, có dạng gợn sóng hay các đụn cát xuất hiện trên đáy, ứng suất đáy tới hạn cho khởi động của chuyển động bùn cát tăng lên Nó bao gồm ứng suất sinh ra do ma sát đáy (b cr, ) và ứng suất do dao động lên xuống của các rối trong khu vực xoáy phía dưới đụn cát hay đáy gợn sóng (b cr, ) Ứng suất đáy tới hạn lúc này là:

b,  ,  ,

Khi ứng suất đáy vượt quá ứng suất ngưỡng, tùy theo điều kiện tức thời, hạt bùn cát sẽ

20

rời khỏi trạng thái cân bằng và bắt đầu chuyển động theo 1 trong 3 dạng: lăn, trượt; nhảy cóc; và lơ lửng (xem Hình 1.8)

Chuyển động lăn, trượt: hạt bùn cát chuyển động nhưng vẫn bám sát đáy

Chuyển động nhảy cóc: hạt bùn cát nảy lên, rồi rớt xuống gần đó theo hướng dòng chảy Chuyển động lơ lửng: khi dòng chảy có cường độ rối đủ lớn, hạt bùn cát nảy lên nhưng

không rơi ngay xuống mà bị vận tốc rối đẩy đi tiếp

Hình 1.8 Các dạng chuyển động của bùn cát

Bùn cát rời chuyển động theo hình thức lăn, trượt và nhảy cóc thường được phân loại là bùn cát đáy Còn bùn cát bị cuốn lên và đẩy đi cùng dòng chảy là bùn cát lơ lửng Lưu lượng bùn cát đi lên ngang qua mặt phân chia bùn cát đáy với bùn cát lơ lửng (suất xói) theo Van Rijn [13] được tính phụ thuộc vào ma sát trên đáy:

Trong đó ws – vận tốc lắng của hạt bùn cát; ca,e – nồng độ bùn cát bão hoà tại mặt phân

chia (ở độ cao a) Cũng theo Van Rijn [13, 20], nồng độ bùn cát bão hoà, ca,e, được tính:

3.0*5.150, 0.015

Ba dạng chuyển động: 1: lăn, trượt

2: nhảy cóc 3: lơ lửng bốc lên do rối

21 

 21/350

Với: a – chiều cao lớp bùn cát đáy (a=0,5Δ hoặc b=ks); d50 và d90 – đường kính hạt 50% và 90%; ρC – khối lượng riêng hạt; s – tỷ trọng hạt; ws0 – vận tốc lắng; u – vận tốc trung bình chiều sâu; D – độ sâu nước; ν – độ nhớt động học của nước; cr – thông số Shield ngưỡng; ks – thông số nhám; Δ – chiều cao sóng cát

b) Bùn cát dính

Thông thường, bùn cát có kích thước hạt nhỏ hơn 0,01mm như sét và bùn được xem là bùn cát dính [21] Trong trường hợp này do tác động của lực tĩnh điện tương đương hoặc lớn hơn so với trọng lực nên các hạt bùn cát tụ lại, dính lại với nhau thành từng cục hoặc thành các bông kết tụ khi xảy ra va chạm Vận tốc lắng của các cục bùn lớn hơn rất nhiều vận tốc lắng của các hạt riêng rẽ [13]

Đối với bùn cát dính, lực hút giữa các phân tử và lực điện hóa tạo ra lực cản đối với xói mòn Có 3 dạng xói mòn bùn cát đã được quan sát thấy Dạng thứ nhất là xói bề mặt hoặc xói từng khối, trong đó bùn cát bị bứt khỏi đáy theo từng hạt và từng khối khi lực liên kết điện hóa giữa các hạt bị phá vỡ dưới tác động của ứng suất ma sát vượt ngưỡng do dòng chảy gây ra Dạng thứ hai là xói mòn cả khối trong đó bùn cát bị xói từng lớp do đáy bùn bị phá hủy theo bề mặt bên dưới mặt đáy khi ứng suất ma sát tác động vượt quá sức bền của lớp bùn Dạng thứ ba là bùn cát bị lôi kéo theo dòng chảy do lớp bùn đáy bị hóa lỏng bởi sự mất ổn định của bề mặt tiếp xúc nước – bùn [22] Mehta và Hayter [23] đã đề xuất công thức tính suất xói bề mặt của bùn cát dựa trên tương quan giữa ứng suất tiếp đáy và ứng suất ngưỡng xói:

 bb

Theo Hanson và Simon [26], dựa trên số liệu khảo sát gần 200 vị trí:

22 5,0710.2 

Partheniades [27] đề nghị công thức tổng quát hơn:

E   1

Với n là thông số thực nghiệm Trong khi Partheniades [27] dùng n=1 thì Gailani và ctg [28] lại thấy n nằm trong khoảng từ 2 tới 3 Ariathurai [29] cũng thấy công thức (1.20) là thích hợp trong trường hợp đáy cứng Trong trường hợp đáy mềm mới bồi, Parchure và Mehta [30] đã đề xuất công thức:

 0.5  

c) Bùn cát hỗn hợp

Thực tế là ta vẫn thường gặp vật liệu đáy ở lòng sông là hỗn hợp của hai loại bùn cát rời và bùn cát dính Theo Van Rijn [13] trong trường hợp tỷ lệ bùn cát dính lớn hơn khoảng 10%, lực tương tác điện hóa cũng rất quan trọng đối với trọng lực và trong nghiên cứu người ta có thể xem hỗn hợp này như là bùn cát dính Tuy nhiên thực tế ứng xử của hỗn hợp này phức tạp hơn nhiều so với bùn cát dính thuần túy hoặc bùn cát rời thuần túy [21]

Bùn cát hỗn hợp rời/kết dính có cơ chế xói mòn phức tạp hơn nhiều so với bùn cát dính thuần túy do sự tương tác giữa các cỡ hạt Tất cả các dạng xói mòn của bùn cát dính đều có thể xảy ra ở bùn cát hỗn hợp Trong trường hợp tỷ lệ hạt kết dính thấp, bùn cát hỗn hợp hoạt động giống như bùn cát rời, xói mòn xảy ra theo dạng bề mặt, tức là bùn cát bị tách khỏi đáy ở dạng hạt, dạng khối Khi tỷ lệ các hạt kết dính cao, bùn cát hỗn hợp hoạt động giống như bùn cát dính Theo Van Ledden và ctg [32] sự chuyển tiếp từ xói theo cơ chế bùn cát rời sang cơ chế bùn cát dính sẽ xảy ra khi tỷ lệ

23

sét vào khoảng 3-5% Cả 3 dạng xói của bùn cát dính sẽ đều xảy ra Các nghiên cứu của Mitchener and Torfs (1996); Panagiotopoulos và ctg (1997) và Jacobs và ctg (2011) đã chỉ ra rằng hỗn hợp bùn và cát có ứng suất tiếp ngưỡng tăng hơn so với cát hoặc bùn thuần túy [33, 34, 35]

Theo Lin và Wu [36] các công thức tính suất xói của bùn cát rời và bùn cát dính có thể được sử dụng để tính suất xói của các thành phần theo cỡ hạt của bùn cát hỗn hợp Tuy nhiên hệ số xói và ứng suất tiếp ngưỡng xói sẽ có sự khác biệt so với các thông số này trong trường hợp bùn cát thuần túy rời hoặc kết dính Suất xói của thành phần hạt thứ k sẽ được tính như sau:

,

,

,

