Phân tích sự ảnh hưởng của tính chất đất đến ổn định bờ sông cầu tỉnh bắc kạn trong mùa mưa

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 Phân tích ảnh hưởng tính chất đất đến ổn định bờ sông Cầu, tỉnh Bắc Kạn mùa mưa Dương Thị Toan* Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 12 tháng năm 2016 Tóm tắt: Bài báo tập trung nghiên cứu ảnh hưởng tính chất đất dao động mực nước sông mùa mưa bờ sông Cầu, khu vực Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn Mơ hình SEEP/W SLOPE/W phần mềm Geoslope sử dụng để phân tích, mơ tác động dao động mực nước Các thông số bờ sông xác định sử dụng phân tích bao gồm sức hút dính, sức chống cắt tính thấm Nghiên cứu sử dụng phương pháp Hickin Nanson (1984) Briaud JL (2008) để tính tốc độ xói lở dựa vào địa hình bờ thành phần hạt Kết cho thấy tốc độ dịng chảy khơng vượt qua ngưỡng gây xói bờ sơng chủ yếu bị ổn định mực nước hạ xuống, mực nước hạ nhanh ngây nguy hiểm cho bờ sông Đối với đất bờ sơng có hệ số thấm nhỏ, tượng thấm tác động đến ổn định bờ, bờ sông ổn định mực nước hạ Đối với bờ sơng có hệ số thấm cao, tượng thấm tác động mạnh mẽ đến bờ sông gây ổn định mực nước dâng cao Khi dòng chảy đủ lớn để gây xói, áp dụng phương pháp Hickin Nanson (1984), Tốc độ xói lở tính cho ba mặt cắt MC1, MC2, MC3 sông Cầu, khu vực Chợ Mới 6,2; 9,6 5,5m Từ khóa: Sạt lở bờ sơng, tính chất đất dao động mực nước, phần mềm Geoslope hàng trăm hộ dân phải di dời, lâm vào hồn cảnh khó khăn Vì nghiên cứu đánh giá nguyên nhân, chế tìm gia giải pháp giảm thiểu tượng sạt lở cấp thiết cho khu vực, đặc biệt mùa mưa lũ Nghiên cứu tập trung phân tích chế, q trình sạt lở bờ sơng yếu tố tác động ổn định bờ, khu vực lựa chọn nghiên cứu đoạn bờ sông Cầu, thị trấn Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn Sông Cầu bắt nguồn từ dãy Phia Bic hai nhánh sơng sơng Nặm Ún (sơng nóng) bắt nguồn từ Phương Viên (huyện Chợ Đồn) sông Nặm Cắt (sông lạnh) bắt nguồn từ Đôn Phong (huyện Bạch Thông) hợp lưu thị xã Bắc Kạn Trên địa phận tỉnh Bắc Kạn, sơng Mở đầu∗ Các tình miền núi phía bắc có chiến lược quan trong phát triển kinh tế, nơi tập trung chủ yếu dân tộc thiểu số, phân bố chủ yếu dọc hệ thống suối Tuy nhiên khu vực gặp nhiều khó khăn điều kiện kinh tế phát triển Đặc biệt phải hứng chịu nhiều thiên tai tai biến Sạt lở bờ sông lưu vực sông miền núi phía bắc thường xuyên sảy làm diện tích canh tác sinh sống vốn hạn hẹp Tại số lưu vực sông, sạt lở bờ sông diện tích đất theo nhà cửa, _ ∗ ĐT.: 84-4-38585097 E-mail: duongtoan109@gmail.com 70 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 Cầu có chiều dài 103 km, chảy qua 44 xã, phường, thị trấn Sơng Cầu có ý nghĩa quan trọng sản xuất đời sống nhân dân tỉnh Bắc Kạn Đó nguồn cung cấp nước chủ yếu cho tưới tiêu nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, sinh hoạt, sản xuất thủy điện, nơi cung cấp nước cho tỉnh hạ lưu Tuy nhiên bờ sơng Cầu chưa đầu tư bảo vệ, cịn chịu tác động nhiều tác động dòng chảy, điều kiện địa chất thủy văn, nhiều đoạn bờ sông bị sạt lở vào mùa mưa (từ tháng 6tháng 9) Vào mùa mưa, lũ dâng cao dòng chảy đạt tốc độ lớn, có khả trơi tảng đá góc cạnh kích thước 20-30 cm làm kè bờ Sạt lở bờ sơng chủ yếu đổi dịng sông, tạo khúc cong uốn khúc Các đoạn bờ sạt lở mạnh chủ yếu cấu tạo trầm tích sơng, có đoạn sơng cấu tạo đất tàn tích Sơng Cầu có nhiều đoạn bờ bị sạt lở mạnh mẽ bờ phải đoạn cầu Khuổi Cườm, cầu Sáu Hai, xã Cao Kỳ, bờ trái Khau Chủ, Cảm Lẹng, cuối xã Cao Kỳ, thôn Nà Bén, Bờ đoạn cấu tạo từ aluvi, thường bị sạt lở cực mạnh Do dòng chảy mạnh, nhiều đoạn bờ cấu tạo đất phong hóa bền vững hơn, bị sạt lở nghiêm trọng, phá hủy vách âm đường giao thông Trong mùa lũ, mực nước sông Cầu lũ dâng cao 6-8 m; dịng chảy đạt tốc độ lớn, có khả trơi tảng đá góc cạnh kích thước 2030 cm làm kè bờ Bờ sạt lở mạnh thường cấu tạo aluvi sông Cầu, cát mịn, cát pha, sét pha bở rời, dễ bị sạt lở Bờ sạt lở có dạng vách gần dốc đứng, phần lớn cao 2-3 m, cá biệt có nơi cao tới 5-6 m, Chợ Mới, Cao Kỳ Sạt lở bờ sơng chủ yếu đổi dịng sơng, tạo khúc cong uốn khúc Theo nghiên cứu (D M Duc, 2010) [1] Trong tổng số 170 đoạn bờ cong tiến hành nghiên cứu, sông Cầu có 102 đoạn lộ đá gốc, mức độ sạt lở khơng đáng kể, cịn lại 59 đoạn có mức độ sạt lở mạnh thuộc sơng Cầu, đoạn cịn lại thuộc sông Chu - nhánh sông đổ vào sông Cầu Các đoạn bờ sạt lở mạnh chủ yếu cấu tạo trầm tích sơng, có đoạn sơng cấu tạo đất tàn tích Rất nhiều 71 đoạn sạt lở làm quỹ đất nông nghiệp, Chợ Mới, Cao Kỳ, Sáu Hai, Khau Chủ, Sạt lở đe dọa ổn định cầu qua sông Cầu, đặc biệt cầu Sáu Hai Khau Chủ Nghiên cứu vùng bị sạt lở mạnh có tốc độ sạt lở nhỏ hơn, từ đến khoảng 10 m/năm Sạt lở bờ sông tác động nghiêm đến đời sống nhân dân dân cư, phát triển nông nghiệp kinh tế Đặc biệt khu vực miền núi, với diện tích canh tác hạn chế, đất khu vực kéo theo nhiều hệ lụy đời sống Cho đến đoạn bờ sông Cầu, Khu vực Bắc Kan đầu tư số điểm thuộc thị xã Bắc Kan, tình trạng sạt lở bờ sông ảnh hưởng sạt lở bờ sông đến canh tác đời sông nhân dân tiếp tục tiếp diễn Sạt lở bờ sông Cầu khu vực Bắc Kan lưu vực sông miền núi phía bắc chưa nghiên cứu đáng kể, khu vực thấy số nghiên cứu sơ đặc điểm sạt lở bờ (P T Xuân, 2005 [2]; Đ M Đức, 2011[1]) đặc điểm tính chất bờ sơng (D.T Toan & Đ M Đức, 2011)[3] Các nghiên cứu nhận định tính chất bờ sơng chủ yếu cấu tạo trầm tích sơng gồm cát, cát pha sét pha Đây loại đất có kết cấu bở rời, độ bền nhỏ, sức chịu tải quy ước (Ro) trung bình = 1,0 kg/cm2, dễ bị sạt lở Trong số trường hợp, bờ sạt lở cấu thành từ đất sườn-tàn tích sét pha lẫn nhiều dăm sạn trạng thái cứng Đây loại đất ẩm, có độ rỗng trung bình đến tương đối cao (0,654 - 1,024, trung bình 0,860) Độ bền từ trung bình đến cao: Ro = 1,5-3,1 kg/cm2, Đất có tính nén lún trung bình Hệ số nén lún biến đổi khoảng hẹp, từ 0,015 đến 0,031 cm2/kg Đây số thông số đất bờ sông Cầu khu vực thường xuyên bị sạt lở, tính chất cho thấy bờ sơng cấu tạo trầm tích bở rời độ gắn kết yếu, dế tính liên kết bị phá hủy nước lũ dâng cao tác động dòng chảy Các tính chất bờ sơng tác động lớn đến tượng sạt lở phá hủy bờ sông Tuy nhiên việc xem xét đánh giá tác động tính chất bờ sơng dừng lại việc xác định đặc trưng tính chất đất đá (D.T 72 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 Toan & Đ M Đức, 2011), mà chưa có đánh giá cụ thể mức độ ảnh hưởng đến độ định bờ sơng Mục đích báo nhằm nghiên cứu tác động tính chất đới bờ đến ổn định mùa mưa lũ với tốc độ mực nước dao động khác Phần mềm Geoslope sử dụng để mô q trình tác động dịng thấm mực nước dao động, tính ổn định bờ sơng thơng qua hệ số an tồn Các thơng số đầu vào sử dụng toán bao gồm (1) đặc điểm địa hình bờ sơng khu vực nghiên cứu; (2) đặc điểm tính chất thủy văn dao động mực nước; (3) tính chất địa kỹ thuật lớp đất đá đới bờ Khu vực lựa chọn nghiên cứu bờ sông Cầu, khu vực thị trấn Chợ Mới, xã Dương Quang Yên Định Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thí nghiệm tính chất lý đất Tính chất đất bờ sơng sử dụng tốn đánh giá ổn định bờ sơng bao gồm tính chất vật lý thành phần độ hạt, độ ẩm, dung trong, tính chất học đất gồm tính thấm, sức chống cắt, sức hút dính (tính chất khơng bão hịa) đất Các tính chất xác định phịng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D 422 (thành phần hạt) ASTM D 2216 (dung trọng), D 2937-00 (độ ẩm); JIS A: 1218 (sức chống cắt); JGS 0524: 2000 (tính thấm) Sức hút dính đất xác định phương pháp Tensionmeter phịng thí nghiệm Trường ĐH Kumamoto, Nhật Bản (Phương pháp thí nghiệm trình bày tài liệu [3] 2.2 Phân tích ổn định bờ sơng mực nước sơng dao động Để phân tích tính ổn định bờ sơng, chương trình phần mềm Geo-Slope (Geostudio 2007) sử dụng Trong điều kiện dao động mực nước lên xuống, q trình phân tích bao gồm q trình thấm từ sơng vào phía bờ mơ mơ hình SEEP/W chương trình Geoslope, để phân tích thay đổi áp lực nước lỗ rỗng tính thấm đất tương ứng với mực nước sơng Đối với bước tính thấm, có dạng mơ hình mơ hình bão hịa khơng bão hịa, báo lựa chọn mơ hình đất khơng bão hịa để phản ánh thực tế q trình thấm Kết đưa vào toán tinh ổn định bờ sơng thơng qua hệ số an tồn mơ hình SLOPE/W Các tính chất đất đầu vào chương trình bao gồm dung trọng sức chống cắt lớp đất bờ sơng [4-6] Hình thể quy trình phân tích ổn định bờ bẳng phần mềm Geo-slope 2.3 Tính tốc độ xói lở Để đánh giá tượng xói lở bờ sơng dòng chảy mùa mưa lũ thực phương pháp Hickin Nanson (1984)[7] Phương pháp xây dựng sở phương trình cân lượng, thể công thức:  R  R  M   = M  − 1 trường hợp R/B <  B  B  R/B > 2.5 −1 R R M   = 2.5M   trường hợp < R/B < 2.5 B B M= Ω Ω = ρgIQ hGB đó: M(R/B) - tốc độ sạt lở bờ năm, tính m/năm; R - bán kính cong đoạn sơng bị sạt lở (m); B - chiều rộng trắc diện ngang đoạn sơng sạt lở ứng với lưu lượng tạo lịng (m); ρ - trọng lượng riêng nước (kg/m3); g - gia tốc trọng trường, 9.82 m/s2; I - độ dốc mặt nước theo chiều dọc; Q - lưu lượng dòng chảy tương ứng với lưu lượng tạo lòng (m3/s); h-độ sâu trung bình tương ứng mặt cắt (m); GB - thông số phản ánh mức độ kiên cố bờ sơng, GB phụ thuộc vào đường kính hạt tạo bờ Từ đường kính trung bình (d50) tính chất lý đất cấu tạo bờ xác định giá trị GB theo bảng lập sẵn Hickin Nauson (1984), phục vụ việc tính tốn dự báo sạt lở D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG THẤM BẰNG SEEP/W Địa hình bờ: Chiều cao; Góc dốc, địa tầng lớp đất Mơ địa hình bờ Lỗi Kiểm tra Tạo lưới thấm Tính chất đất: sử dụng mơ hình thấm khơng bão hịa cần sức hút dính tính thấm bão hịa Điều kiện thủy văn: Sự dao động mực nước Không lỗi Nhập tính chất đất bờ sơng Điều kiện biên thủy văn Chạy mơ hình Kết qủa mơ hình thấm: phân bố áp lực nước lỗ rỗng, áp lực thủy tính, thay đổi hệ số thấm, bão hịa PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH BỜ SƠNG BẰNG SLOPE/W TÍNH HỆ SỐ AN TỒN CỦA BỜ SƠNG Địa hình bờ phân bố áp lực nước lỗ rỗng, bão hòa nhập từ SEEP/W Các thơng số tính chất lớp đất gồm : dung trọng, sức chống cắt, sức hút dính khơng bão hịa Điều kiện thấm bờ sơng Nhập tính chất lớp đất Mơ hình cung trượt xảy Lỗi Kiểm tra mơ hình Khơng lỗi Chạy chương trình Kết quả: hệ số an tồn tương ứng theo kịch Hình Các bước phân tích ổn định bờ sông sử dụng phần mềm Geoslope 73 74 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 2.4 Tính tốc độ dịng chảy giới hạn gây xói Hiện nay, xác định tốc độ xói lở đất cách trực tiếp thí nghiệm khó điều kiện Việt Nam Nghiên cứu đề xuất sử dụng phương pháp gián tiếp để xác định tốc độ xói lở đất, Briau JL (2008) [8] Đây phương pháp dùng công thức kinh nghiệm, nhóm nghiên cứu Briau JL xây dựng dựa kết 15 năm thí nghiệm tốc độ xói lở đất phịng thí nghiệm Trường Đại học Texas A & M, Mỹ Trong đó, cơng thức đề xuất tính cho loại đất sau - Đất hạt rời, kết dính (cát , bụi) V c = 0.1 (D50)-0.2 - Đất dính Vc = 0.03/D50 Với Vc tốc độ giới hạn dòng chảy gây tượng xói lở Khi dịng chảy nhỏ Vc tượng xói khơng xảy D50 đường kính 50% hạt mịn lọt qua Khu vực nghiên cứu Khu vực lực chọn nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tính chất đến ổn định bờ sông bờ sông Cầu khu vực thị trấn Chợ Mới Hiện địa bàn thị trấn có nhiều điểm sạt lở ngập úng gây ảnh hưởng đến sống người dân Tại tổ 2, nhiều hộ dân nằm sát bờ sông Cầu nước lên cao xoáy sâu vào gần nhà gây sạt lở, có điểm nước xốy sâu vào gần m gây sạt lở đoạn dài 40 m nguy hiểm Ngồi cịn đoạn cống chảy sông Chu bị sạt lở nhiều, vào gần sát nhà dân Chính quyền thống kê điểm sạt lở trình lên UBND huyện để xin kinh phí xây bờ kè chống sạt lở, đến chưa có kinh phí điểm sạt lở chưa khắc phục, người dân phải đối mặt với tượng sạt lở vào mùa mưa Qua khảo sát thấy khu vực bờ sông đoạn xã Yên Định, Tổng Cổ khúc sông quanh co, ngã ba hợp lưu với nhánh sông Chu, đoạn sông ngắn xác định đoạn cong bị xói lở mạnh CM1-1, CM2, CM3, CM4 (Hình 2) Vào mùa khơ (từ tháng 10 đến tháng năm sau), mực nước hai sông thấp, dịng sơng chảy hiền hịa Nhưng đến mùa mưa (bắt đầu tháng đến tháng 9), nhận thêm dịng chi lưu sơng Chu, mực nước dâng cao, lịng sơng hẹp tạo động lực tác động xói mạnh bờ sông Khảo sát khu vực sông đây, vị trí trước sau gặp sơng Chu, bờ sơng Cầu bị xói Hình Mặt cắt bờ sông khu vực nghiên cứu đoạn Chợ Mới, tỉnh Bắc Kạn 75 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 Hình Bờ sơng khu vực thị xã Bắc Kạn Thành phần đất đá cấu tạo bờ khu vực đồng giống với bờ sơng số vị trí khác dọc lưu vực (Hình 3-bờ sơng thị xã Bắc Kạn, Hình bờ sông thị trấn Chợ Mới) CM (Hình 5), đố 70% đất lọt qua rây 0,074mm, chứa cát hạt mịn (khoảng 20% hạt cỡ rây 0.25-0.1mm) Loại đất thứ hai thường gặp có thành phần độ hạt tương đương CM1-2, cát hạn mịn Thành phần hạt thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất khác đất ảnh hưởng tới ổn định bờ sơng Hình biểu đồ sức hút dính đất, thơng số đặc trứng cho thay đổi môi trường không bão hịa đất Sức hút dính liên quan chặt chẽ với độ bão hịa đất, đất có độ bão hịa độ ẩm thấp, sức hút dính cao Qua thấy đất dễ bị liên kết bị ngập nước sức hút dính Đối với mẫu CM1-1 CM3, có sức hút dính cao hẳn mẫu đất CM1-2 ảnh hưởng tỷ lệ hàm lượn độ hạt đất Cả hai loại đất khu vực nghiên cứu có tính dẻo thấp, khó xác định giới hạn dẻo đất Đất khu vực xếp loại đất ML - bụi sét pha chứa cát, tính dẻo thấp Đây loại đất có kết cấu chặt, dễ bị trương nở chảy nhão ngấm nước, Bảng thông kê số tính chất vật lý học đất, thơng số đưa vào mơ hình phân tích ổn định bờ sơng mực nước dao động mùa mưa lũ Hình Bờ sơng khu vực Yên Định, Chợ Mới Bảng Một số tính chất bờ sông khu vực Chợ Mới, Bắc Kạn Giá trị trung bình Tính chất CM1-1 CM1-2 CM3 – 0.25 Thành phần 0.25 – 0.1 hại 0.1 – 0.074 < 0.074 70 Độ ẩm W % 22.3 13.5 19.2 Khối lượng riêng ρs g/cm3 2.65 2.7 2.65 Dung trọng tự nhiên γtn g/cm3 1.60 1.65 1.62 Dung trọng khô γk g/cm3 1.31 1.45 1.36 Hệ sỗ rỗng e - 1.026 0.857 0.950 Giới hạn chảy WLL % 31.4 - 29.1 Giới hạn dẻo WPL % 15.7 - 12.8 Hế số thấm Ks cm/s Sức chống cắt tgϕ’ - 0.720 0.930 0.603 c KPa 7.85 0.56 2.23 5.9E-05 5.9E-04 9.1E-05 76 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 27 90 24 Volume Water content (%) 100 Percent fine (%) 80 70 60 50 40 30 CM 1_1_ML CM 1_2_SM 18 15 12 CM1-1_ML CM1_2_SM CM3_ML 20 10 0.001 CM 3_ML 21 0.010 0.100 1.000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 The suction (KPa) 10.000 Grain size (mm) Hình Đường cong phân bố thành phần hạt Hình Tính chất khơng bão hịa Bảng Các thơng số mặt cắt khảo sát khu vực nghiên cứu Tính chất Tại CM1-1; CM1-2; CM3 Chiều cao bờ sông, h (m) 5m Độ dốc (độ) 80 (m) Các lớp đất 5-0m: đât bờ sông (CM1-1; CM1-2; CM3) Từ m xuống cát Lưu lượng dòng, Q (m3/s) 60.50 Độ dốc dòng chảy, I (m/s) 0.23 Tốc độ dao động mực nước dâng lên hạ xuống Tại 0.3m/ngđ; 0.5 m/ngđ; 1m/ngđ Mực nước thấp (m) m (tại chân bờ) Mực nước cao (m) m (khi nước dâng lên ) Vị trí nghiên cứu đưa vào phân tích dựa vào mơ hình Geoslope vị trí bờ sơng tương ứng với mẫu có kết tính chất lý CM1-1; CM1-2 CM3 Đặc điểm điều kiện địa hình bờ sông đặc điểm thủy văn thể bảng 2, điều kiện dùng chung để thấy ảnh hưởng tính chất đất đến ổn định bờ sơng Bài tốn đánh giá ổn định bờ sông thực viện với điều kiện dao động mực nước sông mùa mưa Theo kết quan trắc trạm thủy văn Chợ Mới từ năm 2010-2015 [9][10], biên độ dao động mực nước cao 5m (từ mực nước thấp mùa khô tới mực nước cao vào mùa mưa), tốc động dao động 0.1-1.3m/ngđ Do tốn đánh giá ổn định báo sử dụng với điều kiện biên thủy văn bảng 2, với mực nước cao 5m, tốc độ dao động 0.3m/ngđ; 0.5 m/ngđ; 1m/ngđ Bảng Tính chống cắt hệ số an tồn bờ sơng điểm nghiên cứu Vị trí mẫu CM 1-1 CM 1-2 CM ϕ’ (độ) (góc ma sát trong) 36 43 31 c’ (KPa) (lực dính) 7.85 0.56 2.23 Hệ số an tồn 1.12 1.24 1.05 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 Kết phân tích ổn định bờ sơng 4.1 Độ ổn định bờ sơng vào mùa khơ Mơ hình phân tích ổn định bờ sông mô điều kiện địa hình, địa chất thủy văn với tính chất lý đất vị trí khác CM 1-1, CM 1-2 CM Tại ba điểm điều kiện mực nước sông vào mùa cạn có hệ số an tồn lớn 1, nhiên lớn không đáng kể, cho thấy vị trí an tồn mùa khơ vị trí cảnh báo có khả ổn định cao hệ số an tồn lớn ngưỡng an tồn khơng đáng kể Kết cho thấy ảnh hưởng sức chống cắt tới hệ số an tồn Tại vị trí CM 3, có góc ma sát nhỏ nhất, có lực dính cao CM1-2 khơng đáng kể hệ số an tồn CM thấp nhất, sạt lở lúc có thay đổi nhỏ cân lực (Bảng 3) 4.2 Độ ổn định bờ sơng vào mùa mưa Hình thể thay đổi hệ số an toàn mực nước sơng dao động Trong mơ hình bỏ qua sử tác động dòng chảy làm vận chuyển xói mịn vật liệu bờ sơng Kết cho hệ số an toàn dao động mực nước có tương quan thuận Khi mực nước sơng dâng lên hệ số an tồn bờ sơng tăng lên (Hình 7, trái), mực nước giám hệ số an tồn bờ sơng giảm (Hình 7, phải) Nguyên nhân xảy tượng mực nước sông dâng lên, áp lực thủy tĩnh cột nước sông lên làm việc tường chắn chống đỡ cho bờ sông không bị trượt lở, hệ số an tồn tăng lên Ngược lại mực nước sông hạ xuống, áp lực thủy tĩnh đi, bờ sông không bảo vệ xảy tượng cân trọng lượng Trong trình nước dâng lên, nước thấm vào bờ sơng làm tăng khối lượng thể tích khối đất bờ sông nên xảy tượng cân trọng lượng Ngoài ra, tượng thấm vào bờ sơng làm độ bão hịa đất tăng lên, sức hút dính đất giảm đi, sức chống cắt giảm ảnh hưởng xấu đến ổn định bờ sông Kết cho 77 thấy ba vị trí bị ổn định mực nước sơng giảm xuống (Hình 7, phải) hệ số an tồn giảm xuống nhỏ Như vậy, bờ sông khu vực xảy tượng trượt lở trình nước hạ xuống Trên hình thể biến đổi hệ số an toàn mực nước dao động với tốc độ khác 0.3 m/ng; 0.5 m/ng; 1m/ng, Bờ sông bị ổn định mực nước hạ xuống mực nước tương ứng 1.5m; 0.5m 0m Sự ảnh hưởng tốc độ dao động mực nước tới ổn định bờ sơng thấy Hình Với tốc độ mực nước dao động nhanh bờ sơng bị ổn định sớm Nguyên nhân ổn định sớm mực nước hạ nhanh nước sông hạ nhanh, mực nước ngầm bờ sơng chưa kịp, trọng lượng thể tích cao, áp lực nước lỗ rỗng cao cân xảy sớm Còn trường hợp mực nước sơng hạ chậm hơn, có đủ thời gian có nước bờ sơng nên bờ sơng xảy ổn định từ từ Qua thấy trận lũ có cường độ tốc độ xảy nhanh, bờ sơng nhanh chóng bị nguy hiểm ổn định Kết phân tích báo nên kết hợp với việc tính tốn xói lở bờ sơng theo phương pháp Hickins Nanson nêu báo (Đ M Đức, 2011), để hiểu rõ trình, chế sạt lở bờ sơng Các phương pháp áp dụng lưu vực sông 4.3 Đánh giá xói lở bờ sơng Phương pháp Hickin Nanson (1984) sử dụng để tính xói lở bờ sơng dịng chảy Thơng số đạc thông số mặt cắt trắc diện sông (hình 2), thể bảng Dựa vào liệu địa hình, mặt cắt đoạn sơng cong, tính chất lý đất bờ sông sử dụng mơ hình thực nghiệm tính xói lở bờ sơng để tính tốc độ xói lở bờ sơng cho sơng Cầu, Thị trấn Chợ Mới, Tỉnh Bắc Kạn, kết trình bày Bảng Tốc độ dự báo xói hàng năm từ 5-10m Trong vị trí MC2 bị xói mạnh nhất, 9.6m/ năm Kết tính tốc độ xói 78 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 thay đổi tương ứng thay đổi thành phần hạt đất bờ sông MC2 có đường kính lọt rây 50% lớn hơn, bị xói mạnh MC1 Yên Đĩnh MC2 Yên Đĩnh MC3 Đền Bà Thắm Phải Trái Phải 159.25 108.00 106.25 4.55 3.00 2.50 70.00 72.00 85.00 Bằng phương pháp Hickin Nanson (1984) dựa đặc điểm bờ cong khúc sơng, thành phần độ hạt xác định tốc độ xói lở bờ sơng Việc tính tốn tốc độ xói lở nên gắn với đặc điểm tính chất xói lở đất, nhiên chưa tính đến phương pháp Hickin Nanson (1984) Hiện tượng xói lở vận chuyển đất bờ sơng dịng chảy xảy dịng chảy có tốc độ lớn vận tốc giới hạn gây xói lở đất Khi việc áp dụng phương pháp Hickin Nanson (1984) hiệu Dựa vào công thức đường cong độ hạt ta xác định tốc độ giới hạn cho loại đất tương ứng mặt cắt khu vực nghiên cứu sau (Bảng 6): 94.32 87.50 215.69 Bảng Tốc độ dịng chảy giới hạn gây xói 30.00 70.00 75.00 Mặt cắt MC1 MC2 MC3 60.50 60.50 60.50 Địa điểm Yên Đĩnh Yên Đĩnh Đền Bà Thắm 0.0023 0.0023 0.0023 Phải Trái Phải 0.04 0.15 0.02 Bờ xói lở Đường kính độ hạt trung bình, D50 Tốc độ giới hạn dịng chảy gây xói (m/s) 0.04 0.15 0.02 0.75 0.15 1.50 Bảng Các thông số mặt cắt khảo sát khu vực nghiên cứu Mặt cắt Địa điểm Bờ xói lở Diện tích mặt cắt, S (m2) Chiều cao bờ sơng, h (m) Chiều rộng lịng sơng, B (m) Bán kính khúc cong, R (m) Biên độ uốn khúc, A(m) Lưu lượng dòng, Q (m3/s) Độ dốc dòng chảy, I Đường kính độ hạt trung bình, D50 (Q I theo [1]; thơng số cịn lại đo trực tiếp ngồi trường tính tốn) Bảng Kết tính xói lở bờ sơng đoạn sơng bị xói Mặt cắt MC1 MC3 Đền Bà Yên Đĩnh Yên Đĩnh Thắm Phải Trái Phải Địa điểm Bờ xói lở Chiều cao bờ sơng, h (m) 4.55 Chiều rộng lịng sơng, B (m) 70.00 Bán kính khúc cong, R (m) 94.32 Đường kính độ hạt trung bình, D50 0.04 Tốc độ xói theo Hickin Nanson (1984) (m/năm) 6.2 MC2 3.00 2.50 72.00 85.00 87.50 215.69 0.15 0.02 9.6 5.5 Như vậy, bờ sông vị trí nghiên cứu bị xói tốc độ dịng chảy lớn 0.75; 0.15; 1.5 m/s MC1, MC2 MC3, ta áp dụng Hickin Nanson (1984) cho việc tính tốn tốc độ xói lở bờ sơng Theo kết quan trắc thủy văn dịng chảy nước sơng Cầu có tốc độ 1-1.35m/s vào mùa lũ [9][10], khả MC MC bị xói MC2 vị trí có đất hạt mịn nên chưa bị xói mà ổn định theo kiểu trình bày mục 4.2 Ổn định bờ sông biến thiên theo dao động mực nước 79 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 3.4 3.4 3.2 3.2 3 2.6 Hệ số an toàn 2.8 2.6 2.4 2.4 2.2 2.2 2 1.8 1.8 1.6 1.6 Mực sông dao động 1m/ng 1.4 1.4 Mực sông dao động 0.5m/ng 1.2 1.2 Mực sông dao động 0.3m/ng Hệ số an toàn 2.8 0.8 0.8 Mực sông dâng lên (m) Mực sông hạ xuống (m) Hình Mối tương quan hệ số an toàn với thay đổi mực nước 3.4 3.4 1m/ng 1m/ng 0.5m/ng 0.5m/ng 2.8 0.3m/ng 0.3m/ng 2.8 3.2 2.6 2.6 2.4 2.4 2.2 2.2 2 1.8 1.8 1.6 1.6 1.4 1.4 1.2 1.2 Hệ số an toàn Hệ số an toàn 3.2 0.8 0.8 10 12 14 Thời gian (ngày) 12 16 20 24 Thời gian (ngày) Hình Hệ số an toàn thay đổi theo thời gian mực dâng lên (trái), mực nước giảm (phải) 4.3 Sự ảnh hưởng trình thấm hệ số thấm đến ổn định bờ sơng Hình thể thay đỏi hệ số an toàn mực nước dâng lên với tính thấm đất thay đổi k = 5.9 x 10-3 cm/s ; 5.9 x 10-4 cm/s; 5.9 x 10-5 cm/s Đối với đất có hệ số thấm 5.9 x 10-4 cm/s; 5.9 x 10-5 cm/s, hệ số an toàn tỷ lệ thuận với mực nước sông lúc dâng lên, bờ sông bảo vệ áp lực cột nước phân tích phía Hiện tượng thấm từ sông vào bờ không tác động xấu đến ổn định bờ sông hệ số thấm nhỏ, mực nước ngầm dâng lên không đáng kể nước sông dâng 80 D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 lên Đối với trường hợp đất có hệ số thấm hớn, k = 5.9 x 10-3 cm/s; hệ số thấm ảnh hưởng lớn đến ổn định bờ sông, xu hướng biến đổi hệ số an tồn thay đổi Khi hệ số an tồn giảm mực nước sơng dâng lên Trong trường hợp này, nước sông dâng lên, hệ số thấm đất đủ lớn cho dòng thấm hoạt động, mực nước ngầm dâng lên Hậu mực nước ngầm dâng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, đất bị bão hịa sức hút dính giảm sức chống cắt, hệ số an tồn khơng thể tăng làm cho bờ sông bị ổn định (Hình 9) Qua phân tích cho thấy chế ổn định bờ sông tác động tính chất đất đến ổn định bờ sơng Để bảo vệ bờ sơng, tham khảo số giải pháp nêu nghiên cứu trước đây, giải pháp cơng trình phi cơng trình Trong điều kiện chi phí chưa cho phép nước ta, biện pháp bảo vệ an tồn, chi phí thấp tăng mối liên kết thành phần bờ sông biện pháp trồng phịng hộ ven sơng trồng cỏ, tre… để giảm thiểu tai biến mà người dân địa phương áp dụng ngay, chi phí thấp Kết luận kiến nghị Tốc độ dòng chảy giới hạn gây xói mặt cắt nghiên cứu MC 1, MC 2, MC3 sông Cầu khu vực Chợ Mới, Bắc Kạn 0.75m/s; 0.15m/s 1.5m/s Tốc độ xói lở tính cho ba mặt cắt dựa vào đặc điểm khúc cong thành phần hạt 6,2; 9,6 5,5m/năm Khi tốc độ dịng chảy khơng đủ lớn, bờ sơng chủ yếu bị ổn định mực nước hạ xuống, mực nước hạ nhanh ngây nguy hiểm cho bờ sơng Tính ổn định bờ sơng ảnh hưởng tính chất học đất, dao động mực nước tượng thấm đất Đối với đất bờ sơng có hệ số thấm nhỏ, tượng thấm tác động đến ổn định bờ, bờ sông ổn định mực nước hạ Đối với bờ sông có hệ số thấm cao, tượng thấm tác động mạnh mẽ đến bờ sông gây ổn định mực nước dâng cao Bài tốn phân tích ổn định bờ sơng nên kết hợp với tốn tính xói lở bờ Các kết xói lở bờ nên đưa vào mơ hình tính tốn ổn định bờ sơng để có kết xác Lời cảm ơn Hệ số an toàn Bài báo hoàn thành với hỗ trợ đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống sở liệu liên ngành phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Bắc”, mã số KHCN-TB.01C/13- 18 Mực nước (m) Hình Hệ số an toàn thay đổi với hệ số thấm khác Tài liệu tham khảo [1] Do Minh Duc, 2010 Characteristics of the Cau river bank erosion in Bac Kan province Vietnam Geotechnical Journal, 2010 (in Vietnamese) [2] Pham Tich Xuân nnk, 2005 Nghiên cứu đánh giá tai biến sạt lở bờ sơng 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” Trung tâm Khoa học Tự nhiên Công nghệ Quốc gia, Viện Địa chất [3] D T Toan and D M Duc , 2011 Characteristics of unsaturated soils in the Cau river bank, Bac D.T Toan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) 70-81 Kan province VNU Journal of Science, Earth Sciences 27, No 1S (2011) [4] M Rinaldi, N Casagli, S Dapporto, and A Gargini, 2004 Monitoring and Modelling of Pore Water Pressure Changes and Riverbank Stability During Flow Events Earth Surf Process Landforms 29, 237–254 (2004) Published online in Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/esp.1042 [5] GEO-SLOPE International Ltd., Seepage modeling with SEEP/W 2007 Web: http://www.geo-slope.com [6] GEO-SLOPE International Ltd., Stability modeling with SLOPE/W 2007 Version Web: http://www.geo-slope.com 81 [7] Hickin, E J., and Nanson, G C., 1984, Lateral migration rates of river bends: Journal of Hydraulic Engineering, American Society of Civil Engineers,110 (11) 1557-1567 [8] Briaud JL Case histories in soil and rock erosion: Woodrow Wilson Bridge, Brazos River Meander, Normandy Cliffs, and New Orleans Levees J Geotech Geoinviron Eng., ASCE 2008;134(10):1424 - 1447 [9] Tổng cục trưởng Tổng cục Môi trường Chương trình quan trắc tổng thể mơi trường nước lưu vực sông cầu giai đoạn 2010 – 2015 [10] Nguyễn Phương Nhung Tính tốn cân nước hệ thống lưu vực sơng cầu mơ hình mike basin Luận văn Thạc sĩ 2011, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Analysis the Effects of Soil Properties on Cau River Bank Stability, Bac Kan Province in Rainy Season Duong Thi Toan VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: This paper focuses on analyzing the effects of soil properties and the river water river fluctuation in rainy season to the Cau river bank, in Cho Moi district, Bac Kan province The models of SEEP/W and SLOPE/W (belong GEOSLOPE program) were used to analyz and, simulate the effects of river water changes The soil properties used in analyses include soil suction, shear strength, and hydraulic conductivity The method named Hickin & Nanson (1984), and Briaud JL (2008) were also applied to estimate soil erosion velocity based on grain size distribution and riverbank geometry The results show that if the river water flow is less than soil critical erosion velocity, the riverbank will be broken as river water level drawdown, and the higher rate of water level drawdown the quickly riverbank failure With riverbank soil has small hydraulic conductivity, the riverbank is less affected by seepage failure, and riverbank is failed as river water level drawdown With riverbank soil has high hydraulic conductivity, the riverbank is greatly affected by seepage failure, and riverbank is failed by high river water level When the river water flow is higher than soil critical erosion velocity, riverbank is failed by water erosion in toe of bank By applying Hickin & Nanson (1984), the rate of riverbank erosion at sections of MC1, MC2, MC3 in the Cau river, Cho Moi district are 6,2; 9,6 5,5m, respectively Keywords: Riverbank erosion and failure, soil properties, river water level change, Geoslope program  ... số an tồn khơng thể tăng làm cho bờ sông bị ổn định (Hình 9) Qua phân tích cho thấy chế ổn định bờ sông tác động tính chất đất đến ổn định bờ sơng Để bảo vệ bờ sơng, tham khảo số giải pháp nêu... tác động đến ổn định bờ, bờ sơng ổn định mực nước hạ Đối với bờ sơng có hệ số thấm cao, tượng thấm tác động mạnh mẽ đến bờ sông gây ổn định mực nước dâng cao Bài tốn phân tích ổn định bờ sơng... Yên Định Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thí nghiệm tính chất lý đất Tính chất đất bờ sơng sử dụng tốn đánh giá ổn định bờ sơng bao gồm tính chất vật lý thành phần độ hạt, độ ẩm, dung trong, tính chất