(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tương quan giữa khối lượng khai thác cát với độ ổn định bờ sông đồng bằng sông cửu long

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC NHỨT NGHIÊN CỨU TƯƠNG QUAN GIỮA KHỐI LƯỢNG KHAI THÁC CÁT VỚI ÐỘ ỔN ÐỊNH BỜ SÔNG ÐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP : 60.58.02.08 SKC005101 Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC NHỨT NGHIÊN CỨU TƢƠNG QUAN GIỮA KHỐI LƢỢNG KHAI THÁC CÁT VỚI ĐỘ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 2580208 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH ĐỨC Tp Hồ Chí Minh, Tháng 03/2016 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: NGUYỄN NGỌC NHỨT Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/02/1990 Nơi sinh: Long An Quê quán: Tân Trụ-Long An Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 1218/1B Kha Vạn Cân, P Linh Trung, Q Thủ Đức Điện thoại quan: Di Động: 0988088987 Fax : E-mail : ngocnhut1990@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : Trung học chuyên nghiệp : Hệ đào tạo : Nơi học (trường, thành phố) : Ngành học : Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học : Hệ đào tạo : Chính Quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 09/ 2013 Nơi học (trường, thành phố) : Trường Đại Học Sư Phạm KỹThuật Tp.HCM Ngành học : Xây Dựng Dân Dụng Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp : Chung Cư 18 Tầng Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp : 7/2013 Người hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN TRUNG KIÊN BI Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC : Thời gian 9/2013-1/2014 4/2014-4/2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Nguyễn Minh Đức Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2016 Nguyễn Ngọc Nhứt ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Minh Đức gợi nên ý tưởng đề tài tận tình bảo, giúp đỡ, hướng dẫn cung cấp tài liệu cần thiết để tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Xin cảm ơn thầy cô giáo Khoa Xây Dựng Cơ Học Ứng Dụng Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy bảo thời gian tơi học tập nghiên cứu Cuối muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến tất người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn Vì kiến thức có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong đóng góp ý kiến quý thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 03 năm 2016 Nguyễn Ngọc Nhứt iii TÓM TẮT Nội dung luận văn tập trung trình bày việc sử dụng lý thuyết: ứng suất tổng cộng, áp lực tĩnh nước sông, không xét áp lực động nước sơng để phân tích ổn định mái dốc tác động thay đổi địa hình khai thác cát So sánh lựa chọn phương pháp tính phương pháp cân giới hạn So sánh lựa chọn phương pháp tính phương pháp phần tử hữu hạn So sánh lựa chọn phương pháp tính sức chống cắt khơng tính số dẻo PI, cắt đất trực tiếp cắt cánh So sánh lựa chọn phương pháp tính hệ số an toàn mái dốc phương pháp cân giới hạn phương pháp phần tử hữu hạn Tính tốn hệ số an tồn theo thay đổi địa hình, bề rộng mái dốc, mực nước sơng tải trọng cho tỉnh đồng sông Cửu Long (Vĩnh Long, An Giang, Cần Thơ) Tính tốn chiều sâu cực hạn góc dốc cực hạn theo mực nước sơng bề rộng mái dốc Tính khối lượng cát khai thác hệ số an toàn theo mực nước sông bề rộng mái dốc Kiểm nghiệm hệ số an toàn thực tế khối lượng cát khai thác theo mực nước sông bề rộng mái dốc iv MỤC LỤC TRANG TỰA Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH CÁ NHÂN LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan 1.2 Tình hình sạt lở khai thác cát 1.2.1 Đồng Tháp 1.2.2 Vĩnh Long 1.2.3 Cần Thơ 1.3 Tính cấp thiết đề tài 1.4 Các nghiên cứu trƣớc 1.4.1 Quốc tế 1.4.2 Trong nước sông 1.5 Ý nghĩa lý thuyết thực tiễn áp dụng 1.5.1 Ý nghĩa lý thuyết 1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn áp dụng 1.6 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.7 Giới hạn giả thuyết đề tài 1.7.1 Giả thuyết đề tài 1.7.2 Giới hạn đề tài CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phƣơng pháp Cân Bằng Giới Hạn 2.2 Phƣơng pháp Spencer 1967 2.3 Phƣơng pháp tính PP Cân Bằng Giới Hạn 2.4 Lựa chọn phƣơng pháp tính PP Cân Bằng Giới Hạn 2.5 Phƣơng pháp Phần Tử Hữu Hạn CHƢƠNG PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 3.1 Mơ tả tốn 3.2 Lựa chọn dạng thay đổi địa hình v 3.3 3.4 3.5 3.6 Các thông số tốn 3.3.1Các thơng số đầu vào 3.3.2Các thông số đầu Các phƣơng pháp phân tích Xác định Su phân tích ổn định mái dốc 3.5.1Thí nghiệm cắt cánh trườ 3.5.2Sức kháng cắt khơng nư 3.5.3Sức kháng cắt khơng nư So sánh Su tính từ PI TN cắt đất trực tiếp, TN cắt cánh 3.6.1Tính tốn so sánh 3.6.2Kết luận: 3.7 Lựa chọn phƣơng pháp tính ổn định mái dốc 3.8 Lựa chọn phƣơng pháp tính Su cho hệ số an tồn 3.8.1Tỉnh Vĩnh Long 3.8.2Tỉnh Trà Vinh 3.9 Tải Trọng Phân Bố Trên Bờ Sông CHƢƠNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH BỜ SƠNG ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG 4.1 Điều kiện địa chất, thủy văn 4.1.1Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh L 4.1.2Sông Hậu Tp Long Xuyên – A 4.1.3Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 4.1.4Kết luận 4.2 Mơ phân tích phần mềm Geo Studio chƣa có tải 4.2.1Tính tốn hệ số an tồn ổn địn 4.2.1.1 Sơng Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 4.2.1.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 4.2.1.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 4.2.2 Kết Hcr ứng với L 4.2.2.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 4.2.2.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 4.2.2.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 4.2.3Kết hệ số hạ độ sâu cực h 4.2.3.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 4.2.3.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 4.2.3.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ vi 4.2.4 Kết góc dốc cực hạn ứng với bề rộng mái dốc khác 81 4.2.4.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 81 4.2.4.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 83 4.2.4.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 83 4.3 Mơ phân tích phần mềm Geo Studio có tải 84 4.3.1 Tính tốn hệ số an tồn ổn định bờ sơng 85 4.3.1.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 85 4.3.1.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 88 4.3.1.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 91 4.3.2 Kết Hcr ứng với L khác 94 4.3.2.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 94 4.3.2.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 96 4.3.2.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 98 4.3.3 Kết hệ số hạ độ sâu cực hạn với bề rộng mái khác 100 4.3.3.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 100 4.3.3.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 101 4.3.3.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 101 4.3.4 Kết góc dốc cực hạn ứng với bề rộng mái dốc khác .102 4.3.4.1 Sông Cổ Chiên – Tỉnh Vĩnh Long 102 4.3.4.2 Sông Hậu Tp Long Xuyên – An Giang 103 4.3.4.3 Sông Cần Thơ – Tp Cần Thơ 104 4.4 Nhận xét giải thích 105 4.4.1 Tính tốn hệ số an tồn ổn định bờ sông 105 4.4.2 Kết Hcr ứng với L khác 105 4.4.3 Kết hệ số hạ độ sâu cực hạn với bề rộng mái khác 106 4.4.4 Kết góc dốc cực hạn ứng với bề rộng mái dốc khác .106 4.5 Áp dụng kết nghiên cứu 107 4.5.1 Kiểm tra hệ số an tồn bờ sơng 107 4.5.2 Tính toán khối lượng cát khai thác 108 4.5.3 Ví dụ tính tốn 109 4.6 So sánh kết nghiên cứu với kết sạt lở thực tế 111 4.6.1 Trên sông Cổ Chiên – Vĩnh Long 111 4.6.2 Trên sông Hậu- Tỉnh An Giang 112 4.6.3 Trên sông Cần Thơ-Tp Cần Thơ 114 4.7 So sánh kết tính tốn khối lƣợng cát 116 4.8 Khoảng Cách Khai Thác Cát An Toàn 118 4.9 Tính tƣơng quan khối lƣợng khai thác cát Fs 119 4.9.1 Trên sông Cổ Chiên – Vĩnh Long 119 vii 4.9.2Trên sông Hậu- Tỉnh An Gian 4.9.3Trên sông Cần Thơ-Tp Cần T CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1Kết luận 5.2Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO viii 10/9/2014 15/06/2014 Ngày 15/06/2014 vào lúc 2h30 với khoảng mực nước sông 4.13m sạt lở diễn phường Mỹ Thạnh, Ngày 10/09/2014 lúc 2h với khoảng mực mước sông 2.93m sạt lở diễn Mỹ Hòa Hưng, Tp Long Xuyên Kết phù hợp Mực nước sông thay đổi từ 3m đến 5m Ngày 09/12/2014 vào lúc 2h với khoảng mực nước sông sông 3.34m sạt lở xã Châu Phong, Tân Châu, tỉnh An Giang.Kết phù hợp khoảng mực nước sông thay đổi từ 3m đến 4m Mực nước sông theo ngày (m) 4,5 thấp 2013 3,5 cao 2013 đỉnh lũ 2013 2,5 thấp 2014 1,5 cao 2014 đỉnh lũ 2014 0,5 18-Oct điểm sạt lở 26-Jan 6-May 14-Aug 22-Nov 2-Mar Ngày (m/d/yy) Hình 4.52 Quá trình sạt lở diễn sông Hậu-Tỉnh An Giang  Theo kết phân tích sơng Hậu tỉnh An Giang xảy nhiều vụ sạt lở Quá trình sạt lở thường diễn tháng tháng Các tháng thuộc mùa khô khoảng mực nước sông cao Quá trình sạt lở diễn vào mùa mưa tháng 12 Các trường hợp ghi nhận tháng mà khoảng mực nước sơng cao tượng sạt lở xảy 113  Các q trình sạt lở thực tế hồn tồn phù hợp với kết nghiên cứu Khi khoảng mực nước sông cao tượng sạt lở xảy 4.6.3 Trên sông Cần Thơ-Tp Cần Thơ Sông Cần Thơ chạy qua quận thuộc khu vực thành phố Cần Thơ hàng năm có nhiều vụ sạt lở nghiêm trọng Địa chất đất yếu, mực nước sông lên xuống cao ngày gây nên nhiều vụ sạt lở đáng tiếc Mặc dù có nhiều kè chống sạt lở bờ sơng Nhưng vị trí đất q yếu nên tượng sạt lở xảy sâu vào bờ Các tượng sạt lở thống kê Bảng 4.52 Thống kê sạt lở sông Cần Thơ – Cần Thơ Thời gian 21/06/2015 19/06/2015 26/05/2015 23/03/2015 30/05/2013 2/4/2013 Ngày 02/04/2013 sạt lở chiều dài 80m ăn sâu vào bờ 15m xảy xã Mỹ Khánh, Huyện Phong Điền, Tp.Cẩn Thơ Sạt lở xảy lúc 2h khoảng mực nước sông 4.12m Kết phù hợp khoảng mực nước sông thay đổi từ 4m đến 5m Ngày 30/05/2013 ngày 23/03/2015 sạt lở xảy phường Hưng Thạnh, quận Cái Răng, sạt lở xảy lúc 1h 3h khoảng mực nước sông tương ứng 114 4,11m 3.89m thành phố Cẩn Thơ Kết phù hợp khoảng mực nước sông thay đổi từ 3m đến 5m Ngày 26/05/2015 sạt lở xảy phường Lê Bình, Ngày 19/06/2015 sạt lở phường Tân Phú, ngày 21/06/2015 sạt lở phường Ba Láng thuộc quận Cái Răng Sạt lở xảy lúc 6h, 4h, 5h với khoảng mực nước sông từ 3.84 đến 4.41m Vùng sạt lở tính từ mép sơng ăn sâu vào bờ từ đến 7m Kết phù hợp Mực nước sông theo ngày (m) khoảng mực nước sông thay đổi từ 3m đến 5m cao 2013 thấp 2013 đỉnh lũ 2013 cao 2014 thấp 2014 đỉnh lũ 2014 điểm sạt lở 22-Nov 2-Mar Ngày (m/d/yy) Hình 4.53 Q trình sạt lở diễn sơng Cần Thơ, Tp Cần thơ Q trình phân tích thực tế tượng sạt lở thường diễn vào tháng 3, tháng 5, tháng Đó tháng mùa khô mà khoảng mực nước sông cao Nhận xét:  Q trình phân tích liệu từ sông Cổ Chiên, sông Hậu, sông Cần Thơ đánh giá đầy đủ trình sạt lở thực tế bờ sơng  Q trình hồn tồn phù hợp với kết nghiên cứu dự đoán nguy sạt lở sông vùng  Vậy cần biết bề rộng mái dốc mặt cắt sông Khoả ng mực nước sông thay đổi theo ngày hay theo tháng, với địa chất sông 115 khu vực sơng hồn tồn dự đốn q trình sạt lở, chiều sâu cực hạn, khoảng mực nước sơng sạt lở, góc dốc cực hạn khối lượng cát khai thác  Việc đánh giá cần thiết giúp cho tỉnh có biện pháp di dời, cấp phép xây dựng khu vực gần bờ sông cấp giấy phép khai thác cát nhằm tránh thiệt hại đáng tiếc xảy 4.7 So sánh kết tính tốn khối lƣợng cát Theo Báo cáo: Qui hoạch thăm dò, khai thác sử dụng tài ngun khống sản cát lịng sơng Hậu thuộc khu vực tỉnh Sóc Trăng đến năm 2020 Sở TN&MT Sóc Trăng Năm 2010 Phương pháp khối địa chất tính cơng thức sau: V = S ´ mtb (14) Trong đó:  V : Tài nguyên cát khối, tính m  S : Diện tích khối tài nguyên, tính m m  mtb : Chiều dày trung bình thân cát, tính So sánh với cơng thức nghiên cứu : Cơng thức tính khối lượng cát khai thác = Rcr ´ H ´ (B - ´ L)´ 1(11) V Theo cơng thức (11) khối lượng khai thác khối vật chất tối đa lấy đảm bảo ổn định so với chiều sâu ban đầu ì if (H ï ï ï ï if (H ỵ Theo cơng thức (12) điều kiện xác định chiều dày cát khai thác đảm bảo ổn định mái dốc Với Hkt1 Hkt2 chiều cao bắt đầu kết thúc lớp cát 116 ® V = H kt ´ (B - ´ L)´ 1(13) Nhận xét Công thức (13) (14) cơng thức tính khối lượng cát khai thác Tính tốn khối lượng cát khai thác Chọn địa chất Vĩnh Long để làm ví dụ tính tốn Chọn L=61.2 m, WL=1 m, B=622.4 m, điều kiện không tải trọng Hkt1=11 m, Hkt2=15.24m Sử dụng biểu đồ 4.6 tiến hành nội suy Hcr theo WL=1 m với L1 L2 ta kết nội suy Hcr theo WL=1 m với L1 L2 ta kết L1 = 60m ® H cr = 49.57( m) L2 = 90m ® H cr = 68.09( m) Hcr L có cách nội suy Hcr theo L1và L2 ® L = 61.2m ® H cr = 50.31( m) Trong trường hợp Hcr>Hkt2 Vậy Hkt=Hkt2-Hkt1= 15.24-11=4.24(m) →Khối lượng cát khai thác ® V=H kt ´ (B - ´ L)´ = 4.24 ´ (622.4 - ´ 61.2)´ 1m = 2120( m3 / m) Thân cát CC-TQ.5:  Thân cát CC-TQ.5 nằm lịng sơng Cổ Chiên thuộc địa phận xã An Phước, huyện Mang Thít  Chiều dài thân cát 3,6km, chiều rộng thân cát trung bình 500m, chiều dày thân cát 4,24m Thân cát nằm sâu mặt nước sông sơng trung bình 11m Bảng 4.53 Khối lượng cát khai thác thân cát CC-TQ.5 Số hiệu thân cát CC-TQ.5 →Khối lượng cát khai thác 1m dài 117 V = 6.583.079 =1828.6(m3 / m) 3600 Nhận xét:  Khối lượng cát 1m dài theo công thức nghiên cứu tìm theo báo cáo tương đương  Khối lượng cát khai thác khối lượng cát khai thác mà mái dốc ổn định Kết luận: Sử dụng cơng thức nghiên cứu tìm để tính tốn khối lượng cát 4.8 Khoảng Cách Khai Thác Cát An Tồn Khoảng cách (bán kính R) an tồn kể từ vị trí khai thác tới bờ sơng ứng với độ sâu khai thác h (m) tính theo công thức tan a = tanj h R H Hình 4.54 Tính khoảng cách khai thác cát an tồn Trong đó:  α: Góc dốc bờ sơng khai thác (độ)  υ : Góc ma sát trung bình cát trạng thái bão hịa nước sơng, lấy ’ trung bình tồn mỏ 26 35 118  η: Hệ số an tồn có tính đến tác động dòng chảy, lấy η= 2,0 Bảng 4.54 Khoảng cách bán kính (R) an tồn ứng với độ sâu khai thác (h) Độ sâu khai thác, h=m Khoảng cách khai thác →Nếu khai thác đến cos cao -36m, biên khu vực mỏ thiết kế khai thác phải có cự ly cách hai bờ tối thiểu 150m 4.9 Tính tƣơng quan khối lƣợng khai thác cát Fs 4.9.1 Trên sông Cổ Chiên – Vĩnh Long Chọn địa chất Vĩnh Long để làm ví dụ tính tốn Chọn L=20 m, WL=1 m, B=500 m, điều kiện không tải trọng H=Hkt1=20 m, Hkt2=24.24m Bảng 4.55 Tính tương quan khối lượng khai thác cát Fs tỉnh Vĩnh Long 4.9.2 Trên sông Hậu- Tỉnh An Giang Chọn địa chất An Giang để làm ví dụ tính tốn Chọn L=40 m, WL=1 m, B=500 m, điều kiện không tải trọng H=Hkt1=24 m, Hkt2=27.15m Bảng 4.56 Tính tương quan khối lượng khai thác cát Fs tỉnh An Giang 119 4.9.3 Trên sông Cần Thơ-Tp Cần Thơ Chọn địa chất Cần Thơ để làm ví dụ tính tốn Chọn L=40 m, WL=1 m, B=500 m, điều kiện không tải trọng H=Hkt1=20 m, Hkt2=23.09m V Bảng 4.57 Tính tương quan khối lượng khai thác cát Fs tỉnh Cần Thơ Hình 4.55 Biểu đồ tương quan khối lượng khai thác cát Fs 120 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Luận văn nghiên cứu tương quan khối lượng khai thác cát hệ số an toàn mái dốc bờ sơng Q trình biến đổi địa hình lịng sơng giả thiết với điều kiện bề rộng mái dốc L khơng đổi, chiều sâu lịng sơng tăng lên dẫn đến góc dốc tăng lên làm giảm hệ số an tồn lịng sơng Một số kết luận sau:  Trong phân tích ổn định mái dốc, sức kháng cắt khơng nước xác định từ số dẻo PI khơng có TN cắt cánh phù hợp với kết sai lệch nhỏ, R2 > 0.98 với độ lệch chuẩn COV