Nghiên cứu nguyên nhân mất ổn định bờ sông, tương ứng đoạn từ k21+600 đến k26+500 đê hữu hồng, huyện ba vì, hà nội và đề xuất giải pháp gia cố

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Việt Hà NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG TƯƠNG ỨNG ĐOẠN TỪ K21+600 ĐẾN K26+500 ĐÊ HỮU HỒNG HUYỆN BA VÌ, HÀ NỘI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Việt Hà NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG TƯƠNG ỨNG ĐOẠN TỪ K21+600 ĐẾN K26+500 ĐÊ HỮU HỒNG HUYỆN BA VÌ, HÀ NỘI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIA CỐ Chuyên ngành: Địa chất môi trường Mã số: 8440201.3 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Dương Thị Toan Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn đến mẹ vợ tôi, hai người bên động viên cổ vũ tinh thần cho tơi hồn thành luận văn Một người vô biết ơn TS Dương Thị Toan, người giao đề tài, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn hỗ trợ từ đề tài “Nghiên cứu chế q trình phá hủy bờ sơng Hồng khu vực Hà Nội chế độ thủy động lực sông mùa mưa phục vụ việc bảo vệ phát triển bền vững vùng ven sông” mã số 105.08-2015.24 – Quỹ Nafosted, Bộ Khoa học Công nghệ Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô môn Địa kỹ thuật, khoa Địa chất, trường ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Quốc Gia Hà Nội, tạo điều kiện cho tơi sử dụng phịng thí nghiệm Địa kỹ thuật nhiệt tình hướng dẫn suốt q trình làm luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến cán bộ, nhân viên Hạt Quản lý Đê điều Ba Vì, Hạt Quản lý Đê điều Sơn Tây, Trạm Thủy văn Sơn Tây Công ty cổ phần Tập đồn Xây dựng Du lịch Bình Minh (đơn vị thi công) hỗ trợ cung cấp số liệu cho thực đề tài Cuối cùng, tơi muốn nói lời cảm ơn tới người thân, bạn bè đồng nghiệp phòng Địa chất, Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện động viên, tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình nghiên cứu Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2019 Học viên Nguyễn Việt Hà MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông 1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu 15 CHƯƠNG CỞ SỞ TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .25 2.1 Cơ sở tài liệu 25 2.2 Phương pháp khảo sát, đo vẽ trường 25 2.3 Phương pháp xác định tính chất lý đất 31 2.4 Phương pháp xây dựng mơ hình thực nghiệm mơ hình số 36 CHƯƠNG HIỆN TRẠNG, NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 38 3.1 Hiện trạng sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu 38 3.2 Đặc điểm điều kiện cấu trúc bờ sông nguyên nhân gây sạt lở bờ sông 47 3.3 Nguyên nhân kích hoạt chế gây ổn định bờ sông .67 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ SÔNG 77 4.1 Tổng quan giải pháp cơng trình bảo vệ bờ sông 77 4.2 Đề xuất giải pháp 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết lý lựa chọn đề tài Sạt lở bờ sơng loại hình tai biến địa chất diễn hàng ngày dọc lưu vực sông, trôi nhà cửa đất đai Sạt lở bờ sông ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống nhân dân sinh sống ven bờ sông mà cịn đe dọa đến vấn đề an tồn đê điều hàng năm làm tiêu tốn ngân sách nhà nước Những năm gần đây, yếu tố thay đổi khí hậu tượng thời tiết cực đoan, cơng trình thủy lợi, thủy điện xây dựng thượng lưu sông Đà, sông Lô làm thay đổi chế độ dịng chảy tự nhiên sơng, giảm lượng phù sa đưa hạ lưu, gây cân bồi tích; Việc khai thác cát vượt mức cho phép làm thay đổi lịng dẫn; Các cơng trình chỉnh trị khơng có quy hoạch tổng thể dẫn đến thiếu hiệu lãng phí đầu tư; Các cơng trình xây dựng dân dụng tự phát mọc lên khơng có quy hoạch lấn chiếm hành lang thoát lũ dẫn đến tình trạng sạt lở bờ sơng Hồng trở nên phức tạp Đề tài “Nghiên cứu nguyên nhân gây ổn định bờ sông Hồng, đoạn từ K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, huyện Ba Vì, Hà Nội đề xuất giải pháp gia cố” lựa chọn đoạn bờ sông nằm hạ du hợp lưu ba sông: sông Thao, sông Đà sông Lô, nơi có chế độ thủy văn phức tạp, có ảnh hưởng hoạt động địa chất động lực mạnh, cơng trình xây dựng ven bờ phát triển mạnh lấn chiếm hành lang thoát lũ, hoạt động khai thác cát trái phép diễn hàng ngày cơng trình bảo vệ bờ sơng chưa thực thực theo phương pháp truyền thống chưa mang lại hiệu Hàng năm xảy nhiều đoạn bờ sơng bị sạt lở có ngun nhân từ tự nhiên hoạt động người Đặc biệt, sạt lở bờ sông ảnh hưởng trực tiếp đến cơng trình dân cư sinh sống hai bên bờ sơng Vì việc đánh giá trạng, nghiên cứu nguyên nhân gây sạt lở cần thiết làm sở cho giải pháp gia cố ổn định bờ sơng, đánh giá an tồn hành lang lũ, đảm bảo ổn định cho cơng trình dân sinh cơng trình đê điều chống lũ phạm vi nghiên cứu Mục tiêu Mục tiêu đề tài nghiên cứu, làm rõ nguyên nhân gây ổn định bờ sông đoạn K21+600 đến K26+500 đề xuất giải pháp gia cố phù hợp bảo vệ bờ sông cho khu vực nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài đoạn bờ sông dài gần km, tương ứng K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, thuộc xã Chu Minh, Đông Quang Cam Thượng huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Tổng hợp, điều tra khảo sát, đánh giá trạng bờ sơng Đặc điểm địa hình địa mạo, cấu trúc địa chất – địa chất cơng trình, địa chất thủy văn hoạt động người, ảnh hưởng đến q trình phá hủy bờ sơng: 1.1 Thu thập, tổng quan tài liệu liên quan vấn đề nghiên cứu nước Tổng hợp vấn đề lí luận q trình phá hủy bờ sông yếu tố như: chế độ mưa, chế độ thủy động lực (dao động mực nước nước sơng nước ngầm, vận tốc lưu lượng dịng chảy, vận chuyển lắng đọng trầm tích), thay đổi tính chất lý đất Nhận định yếu tố ảnh hưởng loại hình phá hủy bờ sông đoạn nghiên cứu 1.2 Thu thập tài liệu khu vực nghiên cứu: tài liệu địa chất, địa hình, số liệu quan trắc thủy văn, điều kiện khí hậu, lượng mưa, dao động mực nước sông mực nước ngầm, vận tốc dòng chảy 1.3 Tiến hành khảo sát thực địa, đánh giá trạng, thí nghiệm trường, thu thập phân tích mẫu: - Khảo sát khu vực nghiên cứu, ghi nhận mô tả trạng bờ sông; - Xác định mặt cắt chuẩn vị trí khảo sát chi tiết phục vụ mục tiêu nghiên cứu đề tài; - Đo đạc thơng số địa hình bờ sơng - Khoan địa chất cơng trình; đào hố; lấy mẫu ngun dạng, không nguyên dạng; mô tả cấu trúc địa tầng thực thí nghiệm địa chất thủy văn, địa kỹ thuật trường 1.4 Phân tích tính chất địa kỹ thuật phịng thí nghiệm 1.5 Lập mặt cắt địa hình dịng sơng, bờ sơng, vẽ mặt cắt địa chất cơng trình đại diện 1.6 Tổng hợp đánh giá hoạt động người khu vực nghiên cứu, ảnh hưởng đến ổn định bờ sông Nội dung 2: Nghiên cứu xác định nguyên nhân phân tích chế gây ổn định bờ sông thay đổi yếu tố dao động mực nước sông nước ngầm, lượng mưa… Sử dụng mơ hình số (SEEP/W SLOPE/W Geoslope) nghiên cứu ổn định bờ sông với số trường hợp khác đặc điểm địa chất công trình (loại đất, chiều dầy tính chất lý), tốc độ xói lở đất Mơ hình phân tích đánh giá ảnh hưởng chế độ mưa số kịch khác cường độ, thời gian, chu kỳ mưa Đánh giá đồng thời yếu tố tác động mực nước sông nước ngầm gây thay đổi tính chất lý đất, chênh áp lực Các thơng số tính chất đất xác định nội dung phục vụ nội dung 2, bao gồm: Tính chất vật lý (thành phần hạt, độ ẩm, tỷ trọng), sức chống cắt, lực hút dính hệ số thấm đất Kết phân tích lập mối tương quan hệ số an tồn bờ sơng (Factor of Safety, FOS) với điều kiện khác địa hình bờ sơng, dao động mực nước, tác động mưa Đánh giá lại ổn định bờ sơng kiểm tốn lại hệ số an toàn với giải pháp gia cố đề xuất phần mềm SLIDE hãng Rocscience Nội dung 3: Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ sông khu vực nghiên cứu Dựa vào kết khảo sát phân tích điều kiện nguyên nhân gây sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng yếu tố gây ổn định bờ sông để đề xuất giải pháp gia cố phù hợp cho đoạn bờ sông khu vực nghiên cứu Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông 1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu CHƯƠNG CỞ SỞ TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở tài liệu 2.2 Phương pháp khảo sát, đo vẽ trường 2.3 Phương pháp xác định tính chất lý đất 2.4 Phương pháp xây dựng mơ hình thực nghiệm mơ hình số CHƯƠNG HIỆN TRẠNG, NGUN NHÂN VÀ CƠ CHẾ MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1 Hiện trạng sạt lở bờ sông khu vực nghiên cứu 3.2 Đặc điểm điều kiện cấu trúc bờ sông nguyên nhân gây sạt lở bờ sông 3.3 Nguyên nhân kích hoạt chế gây ổn định bờ sông CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP BẢO VỆ BỜ SÔNG 4.1 Tổng quan giải pháp cơng trình bảo vệ bờ sơng 4.2 Đề xuất giải pháp KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vấn đề liên quan đến ổn định bờ sông 1.1.1 Cơ sở lý thuyết loại hình phá hủy bờ sơng Hiện tượng phá hủy bờ sông tượng tự nhiên, thường xuyên xảy có diễn biến phức tạp, phụ thuộc chịu tác động nhiều yếu tố nội sinh, ngoại sinh, như: điều kiện địa hình, đặc điểm địa chất, đặc điểm khí hậu thủy văn, hình thái sơng, yếu tố thủy lực dòng chảy tác động khác người, như: cơng trình chỉnh trị sơng, cơng trình xây dựng ven sơng, hoạt động khai thác cát hoạt động giao thông thủy vv Theo nghiên cứu mô tả loại hình phá hủy bờ sơng (Watson AJ and Basher LR (2006), Nasermoaddeli MH (2011), Toan DT (2014)), thơng thường có hai dạng phá hủy bờ sông: Sạt lở bờ sông trọng lực xói lở bờ kết hợp trượt lở bở sơng trọng lực Các loại hình phá hủy bờ sông thường gặp giới tổng hợp Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.1 Các kiểu phá hủy bờ (Watson AJ and Basher LR, 2006) Cơ chế Trượt nơng Trượt cung trịn Trượt phẳng Dịng chảy ướt Dịng chảy khơ Đất/đá đổ Bục đất Xói ngầm Xói hàm ếch Xói chân bờ (2011), [10] Trần Mạnh Liểu, Nguyễn Văn Tá, Cao Thanh Tùng (2007), "Phương pháp đánh giá dự báo khả sạt lở bờ sơng theo tiêu tích hợp yếu tố điều kiện kỹ thuật - tự nhiên vùng ven sơng", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Xây dựng, (2007), tr 38 [11] Nguyễn Hồng Nam (2011), "Phân tích ngun nhân cố trượt bãi sơng Hồng tương ứng K29+850 đến K30+050 đê Hữu Hồng Sơn Tây, " Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Đặc biệt (11/2011), tr 93-100 [12] Nguyễn Kiên Quyết (2013), "Giải pháp kết cấu cho cơng trình dạng mỏ hàn bố trí đoạn sơng có bờ dốc với dòng chảy ngập sâu bãi rộng", Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Mơi Trường, 43 (12/2013), tr 132-136 [13] Nguyễn Kiên Quyết (2014), "Cơng trình chỉnh trị sơng qua thị lớn nước ta định hướng xây dựng", Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi Trường, 46 (9/2014), tr 94-100 [14] Nguyễn Văn Tá (2007), "Phân vùng địa chất cơng trình (ĐCCT) đới sơng ven sơng Hồng khu vực Hà Nội phục vụ quy hoạch phát triển bền vững lãnh thổ" Tạp chí Địa kỹ thuật, số 03/2017 [15] Phạm Tích Xuân (2012), "Tai biến sạt lở bờ sông khu vực hợp lưu sông Thao - Đà - Lơ", Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT, 34 (1), tr 18-24 [16] Phạm Tích Xuân nnk Nghiên cứu đánh giá tai biến sạt lở bờ sơng khu vực tỉnh miền núi phía Bắc Đề tài nhánh thuộc Đề tài độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu đánh giá tổng hợp loại hình tai biến địa chất lãnh thổ Việt Nam giải pháp phòng chống” Viện Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ Quốc gia, Viện Địa chất, 2005 [17] Đồn Thế Tường nnk (2006), Đánh giá điều kiện địa kỹ thuật môi trường kiến nghị phương hướng quy hoạch sử dụng đất hợp lý cho khu vực đới động ven sông Hồng phạm vi thành phố Hà Nội, Đề tài TCĐT/07-03-3, Đại học Quốc gia Hà Nội, Việt Nam [18] Trần Văn Tư nnk (2010), Nghiên cứu đánh giá điều kiện địa chất cơng trình dự báo khả xuất cố dọc tuyến đê sông Hồng thuộc địa phận Hà Nội, Đề tài 01C-05/08-2010-2, Sở Khoa học Công nghệ, Hà Nội [19] Ngơ Quang Tồn, Đặng Huy Rằm (2005), "Tai biến sạt lở bờ sơng vùng Tân Đức, Ba Vì, Hà Tây", Tạp chí Địa chất, 286 (2/2005) [20] Trần Văn Tư, Đào Minh Đức, Trần Linh Lan (2011), "Đặc điểm địa chất cơng trình đê sơng Hồng khu vực Hà Nội tai biến địa chất liên quan", Tạp chí CÁC KHOA HỌC VỀ TRÁI ĐẤT, 33 (3ĐB), tr 480492 [21] Nguyễn Thành Trung, Nguyễn Ngọc Đẳng (2012), "Giới thiệu số giải pháp công nghệ cơng trình bảo vệ bờ sơng", Tạp chí Khoa học Công nghệ Thủy lợi [22] Viện Địa chất (2004), Nghiên cứu đánh giá tai biến sạt lở bờ sơng khu vực tỉnh miền núi phía Bắc, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội Tiếng Anh [23] M.L Chu-Agor, G.A Fox, G.V Wilson Empirical sediment transport function predicting seepage erosion undercutting for cohesive bank failure prediction Journal of Hydrology 2009;377:155-164 [24] S.E Darby, M Rinaldi, and S Dapporto Coupling simulations of fluvial erosion and mass wasting for cohesive river banks Journal of Geophysical Research, Vol 112, F03022, doi:10.1029/2006JF000722, 2007 [25] Simon A., Curini A., Darby S.E., Langendoen E.J Bank and nearbank processes in an incised channel Geomorphology 2000;35:193-217 [26] Amiri-Tokaldany E., Samadi A., Davoudi M.H., Darby S.E.(2013), "Experimental and numerical investigation of the stability of overhanging riverbanks", Geomorphology, 184 (2013), pp 1-19 [27] Amiri-Tokaldany E., Samadi A., Darby S.E (2009), "Identifying the effects of parameter uncertainty on the reliability of riverbank stability modelling", Geomorphology, 106 (3–4), pp 219-230 [28] Fox G.A., Glenn V.W., Simon A , Eddy J L, Onur A., John W F (2007), "Measuring streambank erosion due to ground water seepage: correlation to bank pore water pressure, precipitation and stream stage", Earth Surface Processes and Landforms, 32 (10), pp 1558-1573 [29] Peirre Y Julien (2002), River Mechanics, Cambridge University Press, New York [30] Luppi L., Rinaldi M., Liliana B.T, Darby S.E., Nardi L (2009), "Monitoring and numerical modelling of riverbank erosion processes: a case study along the Cecina River (central Italy)", Earth Surface Processes and Landforms, 34 (4), pp 530-546 [31] Fox G.A., Chu-Agor M.L., Wilson G.V (2009), "Empirical sediment transport function predicting seepage erosion undercutting for cohesive bank failure prediction", Journal of Hydrology, 377 (1-2), pp 155-164 [32] Fox G.A., Chu-Agor M.L., Cancienne R.M., Wilson G.V (2008), "Seepage caused tension failures and erosion undercutting of hillslopes", Journal of Hydrology, 359 (3-4), pp 247-259 [33] Nasermoaddeli M.H (2011), Bank erosion in alluvial rivers with non-cohesive soil in unsteady flow, Technische Universität Hamburg, Germany [34] Rinaldi M., Mengoni B, Luppi L, Darby S.E., Mosselman E (2008), "Numerical simulation of hydrodynamics and bank erosion in a river bend", Water Resources Research, 44 (9), pp [35] Dương Thị Toan (2014), "Assessment perspectives of unsaturated soils and Dissertation, Ibaraki University, Japan of riverbank stability - the erosion function" Doctoral [36] Watson A.J., Basher L.R (2006), "Stream bank erosion: a review of processes of bank failure, measurement and assessment techniques, and modelling approaches, Motueka Integrated Catchment Management", NEW ZEALAND PHỤ LỤC TÍNH TỐN Kiểm tốn ổn định giải pháp gia cố đề xuất phần mềm Slide hãng Rocscience Tính ổn định với mặt cắt dạng Trường hợp nước sông dâng cao mùa lũ (24/8/2017) cao độ mực nước sông: 10,65m, FOS = 1,209 Bờ sơng ổn định Tính ổn định với mặt cắt dạng Trường hợp nước sông xuống thấp, mùa kiệt 6,85m, FOS = 0,95 Bờ sông ổn định Tính ổn định với mặt cắt gia cố dạng Trường hợp nước sông xuống thấp, 6,85m gia cố theo đề xuất, FOS = 1.18 Bờ sông đảm bảo ổn định cho phép Tính ổn định với mặt cắt dạng Trường hợp nước sông dâng cao mùa lũ, FOS = 1,163 Bờ sông tương đối ổn định Tính ổn định với mặt cắt dạng Trường hợp nước sông hạ thấp trạng đo 6/11/2018 FOS = 0,708 Bờ sông ổn định, phù hợp thực tế Tính ổn định với mặt cắt gia cố dạng Trường hợp gia cố vượt tải, chiều dày lớp đá hộc, rọ đá lên 4m, FOS = 0,093 Gây ổn định chân kè Tính ổn định với mặt cắt gia cố dạng Trường hợp gia cố chiều dày lớp đá hộc, rọ đá < 4m, mái M=2,5 cọc xi măng đất với hàng cọc đơn, độ sâu xử lý 20m, tải trọng nhà 6kN/m2 FOS = 1,189 Đảm bảo ổn định Tính ổn định với mặt cắt dạng Trường hợp nước sông lên cao, trạng đo 24/8/2017 FOS = 1,374 Bờ sơng ổn định Tính ổn định với mặt cắt dạng Trường hợp nước sông xuống thấp FOS = 1,135 Hệ số ổn định nhỏ cho phép, chưa gây sạt lở Hiện tượng sạt lở xảy biến dạng thấm, gây xói ngầm Phù hợp thực tế Tính ổn định với mặt cắt gia cố dạng Trường hợp gia cố theo đề xuất, FOS = 1,497 Tuy nhiên cần phải có tầng lọc nhằm ngăn chặn xói ngầm ... tạp Đề tài ? ?Nghiên cứu nguyên nhân gây ổn định bờ sông Hồng, đoạn từ K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, huyện Ba Vì, Hà Nội đề xuất giải pháp gia cố? ?? lựa chọn đoạn bờ sông nằm hạ du hợp lưu ba sông:... GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Việt Hà NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG TƯƠNG ỨNG ĐOẠN TỪ K21+600 ĐẾN K26+500 ĐÊ HỮU HỒNG HUYỆN BA VÌ, HÀ NỘI VÀ ĐỀ XUẤT... nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài đoạn bờ sông dài gần km, tương ứng K21+600 đến K26+500 đê Hữu Hồng, thuộc xã Chu Minh, Đông Quang Cam Thượng huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội Nội dung nghiên cứu Nội