Nghiên cứu tính toán ảnh hưởng của sóng tàu đến sạt lở bờ

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG TÀU ĐẾN SẠT LỞ BỜ ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA MÔI TRƯỜNG ====== ====== LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng[.]

KHOA MÔI TRƯỜNG

======  ======

GVHD: PGS TS Nguyễn Thị BảySinh viên thực hiện: Võ Thị DuyênMSSV: 1317035

Chuyên ngành: Tin học môi trường

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH:

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA

SÓNG TÀU ĐẾN SẠT LỞ BỜ

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Cô PGS TS Nguyễn ThịBảy và Anh Lious Kiến Chính đã đồng ý hướng dẫn và giúp đỡ, chỉ dạy em trong thờigian thực tập hè vừa qua, để em có thể hoàn thành báo cáo thực tập hè này

Vì kiến thức còn hạn chế, nên báo cáo thực tập của em còn nhiều thiếu sót, rấtmong nhận được sự góp ý sửa chữa của Qúy Thầy Cô để báo cáo thực tập này có thểđược hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 01 năm 2016 Sinh viên

Võ Thị Duyên

TÓM TẮT

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU: 1

1 Đặt vấn đề: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 1

3 Nội dung nghiên cứu: 1

4 Phương pháp nghiên cứu: 1

5 Ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội: 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1 Sạt lở bờ sông: 2

2 Các dạng sạt lở bờ sông: 3

2.1 Các dạng sạt lở bờ do trọng lực gây ra: 3

2.2 Các dạng xói lở do quá trình thủy lực gây ra (xói lở do dòng chảy): 8

3 Nguyên nhân gây xói lở bờ sông: 11

3.1 Hoạt động nhân sinh: 11

3.2 Tự nhiên: 11

4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 16

4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 16

4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ta: 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

1 Định nghĩa, vấn đề liên quan đến sóng tàu và ảnh hưởng của nó đến sạt lở bờ, dạng sạt lở thường xảy ra do sóng tàu: 18

1.1 Định nghĩa: 18

1.2 Cơ chế và dạng sạt lở bờ do tàu thuyền gây ra: 18

1.3 Nguyên nhân sinh ra sóng: 18

1.4 Các thành phần của sóng tàu: 19

1.5 Xác định các thông số của sóng tàu: 21

2 Cơ sở lý thuyết tính toán của ảnh hưởng sóng tàu đến sạt lở bờ sông: 22

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ GIẢI PHÁP 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

DANH MỤC CÁC BẢNGBảng 1 Tốc độ dòng nước cho phép lớn nhất không gây ra hiện tượng rửa xói đối với cácnhóm đất đá khác nhau 14

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Sạt lở bờ tại Cần Thơ 2

Hình 2 Cơ chế sạt lở bờ dạng trượt nông 3

Hình 3 Cơ chế sạt lở bờ dạng trượt xoay 4

Hình 4 Cơ chế sạt lở phiến 5

Hình 5.Cơ chế sụp bờ dạng hàm ếch 6

Hình 6 Cơ chế sạt lở thành dòng 7

Hình 7 Cơ chế sạt lở bờ dạng bật ra (Theo O’Neil and Kuhns 1994) 8

Hình 8 Bờ sông bị xói sâu vào dưới tác động của dòng chảy 9

Hình 9 Xói lở đáy dưới tác đông của dòng chảy 10

Hình 10 Sự rửa trôi vật liệu ở lớp nền dưới tác động của dòng chảy 10

Hình 11 Sự tạo thành sóng tàu 19

Hình 12 Hệ thống sóng tàu và phân bố lý tưởng lưu tốc và áp lực nước dọc thân tàu 20

Hình 13 Hệ thống sóng phân kỳ 20

PHẦN MỞ ĐẦU:

1 Đặt vấn đề:

Trong nhiều môi trường như ven biển, cửa sông và sông, sóng được tạo ra do tàuthuyền đi lại được xem là một yếu tố góp phần lớn vào xói mòn bờ Số lượng phà và tàuthuyền ngày càng tăng trong vài thập kỉ qua phục vụ nhu cầu kinh tế hay du lịch của conngười đã gây ra sự ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định của đường bờ Tại các khu vực venbiển chịu tác động của sóng đáng kể, hoặc các hệ thống sông dễ bị ngập lụt thườngxuyên, sóng tàu có thể có tác động đáng kể vào sự ổn định bờ Bên cạnh đó ở ven biển,cửa sông, sông môi trường yên tĩnh, sóng tàu cũng là nguyên nhân hàng đầu gây sự xóimòn bờ Vì vậy, vấn đề này được rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, sửdụng rất nhiều phương pháp khác nhau để tính toán sạt lở bờ như: phương pháp mô hìnhtoán, phương pháp mô hình vật lý, phương pháp viễn thám, GIS… nhưng dùng công thứckinh nghiệm để tính toán ảnh hưởng hưởng sóng tàu đến sạt lở lở bờ ở Việt Nam khôngnhiều, vậy nên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu tính toán ảnh hưởng của sóng tàu đến sạt

lở bờ” Đề tài này được thực hiện nhằm cung cấp công thức kinh nghiệm dùng để tínhtoán sạt lở bờ do tàu thuyền gây ra

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Tính toán ảnh hưởng của sóng tàu lên sạt lở bờ sông

3 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết về sạt lở bờ

- Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của sóng tàu đến sạt lở bờ

- Nghiên cứu công thức kinh nghiệm dùng để tính toán ảnh hưởng của sóng tàu đếnsạt lở bờ

- Tính toán và kiểm tra công thức kinh nghiệm bằng bài toán đơn giản

4 Phương pháp nghiên cứu:

5 Ý nghĩa khoa học, kinh tế, xã hội:

Tính toán được tốc độ sạt lở bờ do sóng tàu gây ra, từ đó có thể đưa ra giảipháp khắc phục tình trạng sạt lở

Từ năm 1978 đến năm 2001 đã có 3000 ha đất bị sạt lở, 5 dãy phố, 2 cầu ô tô, 20 kmđường nhựa, 25 km đường ô tô, 2 bến phà và nhiều cơ sở hạ tầng (cơ quan, bệnh viện,trường học… ) bị sụp đổ, 6 làng bị xoá sổ, 1600 căn hộ và 1 thị xã tỉnh lị di dời, 4 thị xã

và 3 thị trấn đang bị nguy hiếp nghiêm trọng… Thiệt hại do sạt lở bờ lên tới hàng nghìn tỉđồng.

Hai nhóm quá trình chính của quá trình xói lở bờ:

- Quá trình thuỷ lực ngay tại bề mặt hoặc bên dưới bề mặt nước, cuốn đi trực tiếptrầm tích và góp phần trực tiếp gây ra sạt lở vật liệu bờ

- Các quá trình trượt khối, bao gồm các kiểu trượt thẳng và trượt xoay tách trầm tíchkết dính với bờ và tạo trầm tích vận chuyển trong lưu vực sông

2 Các dạng sạt lở bờ sông:

Xói lở bờ sông xảy hàng hàng loạt các quá trình và bị điều khiển bởi hai nhân tốchính: xói lở bờ do trọng lực gây ra và xói lở bờ do trọng lực gây ra

2.1 Các dạng sạt lở bờ do trọng lực gây ra:

2.1.1 Trượt nông (Shallow slides):

Với dạng trượt này thì các lớp vật liệu di chuyển dọc theo mặt phẳng bề mặt của

bờ dưới tác dụng của trọng lực Đây là kiểu điển hình cho loại đất với độ kết dính thấp,thường xảy ra khi góc nghiêng của bờ lớn hơn góc ma sát trong của vật liệu bờ Kiểutrượt nông này thường xảy ra ở những bờ có độ dốc trung bình Trượt nông thường xảysau khi các kiểu trượt xoay (rotaiton slides) hoặc trượt phiến (slab slides) xảy ra (Thorne1998) Các kiểu sạt lở này làm mất đi một lượng lớn trầm tích góc của bờ ở những vị trí

mà dễ dàng bị cuốn đi bởi tác động của dòng chảy thông thường (Environment Agency1999)

Hình 2 Cơ chế sạt lở bờ dạng trượt nông

2.1.2 Trượt xoay (Rotational failures):

Trượt xoay là sự di chuyển của vật liệu nằm sâu ở dưới theo cả hai chiều: xuốngdưới và hướng ra ngoài dọc theo mặt trượt cong, thường phổ biến ở bờ có vật liệu kếtdính và độ dốc nhỏ hơn 600 Sau khi trượt phần đỉnh của khối trượt thường nghiênghướng về phía bờ (xem Hình 3) Chúng thường gắn liền với những vết nứt thẳng đứngbên trong cấu trúc của bờ Trượt xoay thường có khối lượng lớn hơn trượt phiến(Dapporto et al.2003) và đây cũng thường là kết quả của việc xói mòn chân bờ hoặc/và

áp suất nước trong lỗ rỗng cao trong vật liệu bờ Thường thường trượt xoay xảy ra trongsuốt quá trình rút nhanh chóng của lũ

Hình 3 Cơ chế sạt lở bờ dạng trượt xoay

2.1.3 Sạt lở phiến (Slab failure):

Đây là kiểu trượt mà khối vật liệu bờ sẽ có xu hướng lật xuống dòng sông (xemHình 4) Chúng liên quan đến độ dốc, độ cao bờ thấp, sự gắn kết các hạt mịn của vật liệu

bờ và thường xảy ra trong điều kiện dòng chảy thấp Sạt lở phiến là kết quả kết hợp củaxói lở ở chân bờ, áp lực nước lỗ rỗng trong vật liệu bờ và sự phát triển của các vết nứt ởtrên bờ Dưới những điều này thì sự ổn định của bờ phụ thuộc vào sức bền kéo của vậtliệu bờ (Environment Agency 1999) Sự bồi tụ của các khối đất bị sụp có thể tạm thờibảo vệ được phần chân bờ khỏi xói lở trong thời gian ngắn

Hình 4 Cơ chế sạt lở phiến

Khả năng xảy ra trượt phiến đặc trưng bởi các vết nứt hình thành cách đỉnh bờsông một đoạn nhỏ Sự khô hạn và ứng suất căng làm cho các khe nứt nhanh chóng đượchình thành Các khe nứt hình thành có thể làm nước từ dòng chảy bề mặt hoặc dòng chảydưới bề mặt xâm nhập vào bờ, làm tăng áp lực thấm và thường làm giảm tính ổn định của

bờ, tác động và làm các khối vật liệu bờ trượt xuống và hướng ra phía lòng sông như kiểusạt lở khối (Simons an Li 1982)

2.1.4 Sạt lở dạng hàm ếch (Cantilever failure):

Sóng (áp lực sóng) làm cho mái bờ sông bị phá vỡ kết cấu, các hạt bùn cát thuộc

bộ phận của lòng dẫn bị tách rời và vận chuyển đi nơi khác, quá trình này diễn ra lâu dàilàm cho chân mái bờ bị xói tạo thành hàm ếch, dẫn đến khối đất bờ mất ổn định và sụp

lở

Hình 5.Cơ chế sụp bờ dạng hàm ếch

2.1.5 Dòng hoàng thổ (Wet earthflow):

Loại sạt lở này xảy ra ở các vị trí mà bờ yếu, do việc tăng khối lượng và sự giảmsức bền vật liệu bờ đến một thời điểm mà vật liệu bờ chảy lỏng ra thành dòng và có độnhớt cao Loại sạt lở này xảy ra ở bờ có gốc dốc thấp và làm dòng vật liệu chảy xuống vàtạo thành các thuỳ ở phần chân của bờ Các loại vật liệu này rất yếu và dễ bị loại bỏ thậm

chí là dòng chảy nhỏ (Thorne 1998) Dòng hoàng thổ xảy ra ở các bờ có độ thấm lớn vàthoát nước kém Thường thì chúng xảy ra khi mưa lớn, tuyết tan hoặc là do sự hạ thấpmực nước nhanh chóng của dòng chảy.

Hình 6 Cơ chế sạt lở thành dòng

2.1.6 Sạt lở bờ dạng bật ra (Popout failure):

Sạt lở bờ dạng bật ra là một định nghĩa dùng để chỉ các quá trình sạt lở bờ có cáckhối vật liệu với kích thước từ nhỏ đến trung bình bị đẩy ra ngoài ở gần hoặc ở tại lớpđáy của bờ sông Nguyên nhân là do áp suất nước trong lỗ hổng bị thừa và bị sức ép quámức Một khối vật liệu dạng phiến ở phía dưới của bờ (gần chân bờ) sẽ rơi ra ngoài vàhình thành các hốc (xem Hình 7) Dạng sạt lở bờ này thường là sự kiết hợp giữa bờ dốc

và các vật liệu bờ kết dính bị bão hòa, điều này làm tăng áp suất nước trong lỗ hỗngvà/hoặc rò rĩ mạnh trong cấu trúc đó Phần nhô ra tại hốc có thể sụp đổ xuống như mộtdạng sụt bờ hàm ếch Bằng chứng cho dạng sạt lở này gồm có: vật liệu kết dính, bờ dốcvới các vùng rò rỉ nằm ở vị trí thấp của bờ và các hốc ở bề mặt của bờ sông (Thorne

Hình 7 Cơ chế sạt lở bờ dạng bật ra (Theo O’Neil and Kuhns 1994)

2.2 Các dạng xói lở do quá trình thủy lực gây ra (xói lở do dòng chảy):

Sự xói lở bờ do dòng chảy trực tiếp gây ra là kết quả từ sự thay đổi trong cân bănggiữa ứng suất cắt thủy lực và độ bền của vật liệu bờ Trong trường hợp ứng suất cắt vượtquá độ bền của vật liệu bờ thì sự vận chuyển trầm tích sẽ bắt đầu xảy ra Điều này xảy rabởi vì ứng suất cắt tăng lên khi dòng chảy tăng lên, trong khi đó độ bền của vật liệu bờthường giảm đi (ví dụ: là do khi bờ sông trở nên bão hòa) Có ba dạng xói lở chính doquá trình thủy lực gây ra Các dạng này cũng thường là tiền thân của các quá trình xói lở

do trọng lực và cũng chính là quá trình vận chuyển các vật liệu bị sạt lở do quá trình xói

lở do trong lực gây ra

2.2.1 Sự khoét sâu ở chân bờ (Undercutting):

Vật liệu bờ ở hoặc dưới vị trí mực nước bị khoét sâu vào và bị loại bỏ trực tiếp bởicác tác dụng vật lý của dòng chảy và vận chuyển trầm tích

Hình 8 Bờ sông bị xói sâu vào dưới tác động của dòng chảy

Khi năng lượng dòng chảy tăng thì sức mạnh xói mòn của dòng chảy cũng tăngtheo cho đến khi ứng suất cắt của nước vượt quá độ bền của vật liệu bờ Sự khoét sâu ởchân bờ có thể là kết quả của sự chuyển hướng và tăng tốc của dòng chảy xung quanh cácvật cản như: các mảnh đá vụn và thảm thực vật trong kênh, hoặc các đặc tính của đất như:

sự thoát nước kém hoặc các vật liệu kém liên kết dễ bị xói mòn Hiện tượng này cũngphổ biến ở các đoạn sông có khúc cua quanh co, vận tốc dòng chảy và ứng suất cắtthường cao tại những vị trí đó

2.2.2 Xói lở đáy (Bed Degradation):

Xói lở đáy là quá trình xói mòn làm hạ nền của lòng sông (xem Hình 1.8), quátrình này xảy ra khi năng lượng gây xói lở của dòng chảy tăng lên đến khi ứng suất cắtcủa nước vượt qua mức xói lở tương đối của đáy sông (so với vật liệu bờ) Quá trình này

hạ thấp lòng sông nên làm tăng chiều cao và độ dốc của bờ sông, tạo điều kiện cho xói lởtạo hàm ếch và sạt lở khối

Hình 9 Xói lở đáy dưới tác đông của dòng chảy

2.2.3 Sự rửa trôi lớp nền (Basal cleanout):

Trong Hình 10 là quá trình rữa trôi các vật liệu ở lớp nền (lớp đáy) Đây là quátrình xói lở tác dụng lên vật liệu của bờ mà trước đó các vật liệu này bị sụp đổ xuống từcác dạng sạt lở khác

Chu trình xói mòn vật liệu làm cho bờ cao sạt lở tạo thành các bờ thấp, các bờ thấp

bị xói lở đi đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hình dạng bờ, tính ổn định và tỉ

lệ bờ bị xói lở

Hình 10 Sự rửa trôi vật liệu ở lớp nền dưới tác động của dòng chảy

3 Nguyên nhân gây xói lở bờ sông:

3.1 Hoạt động nhân sinh:

Phá hủy lớp phủ thực vật tạo mặt bằng xây dựng, làm mất ổn định bờ

Xây dựng công trình nằm sát mé bờ sông thậm chí lấn chiếm ra phía sông làmthay đổi chế độ dòng chảy, cấu tạo địa chất không thuận lợi (đất yếu)… gây bất lợi cho

Quá trình khai thác cát bừa bãi với qui mô lớn ở vùng và phụ cận làm thay đổi chế

độ dòng chảy của sông dẫn đến quá trình lở bờ xảy ra

Sử dụng không đúng, không hợp lý về các giải pháp và kết cấu của các công trìnhbảo vệ bờ do không nắm chắc số liệu về dòng chảy và sự biến đổi của dòng chảy, cũngnhư các số liệu về địa chất, về cấu tạo vùng bờ, như: Các con đê có thể làm giảm diệntích ngập lụt dọc theo một đoạn sông, nhưng do vùng ngập lụt tích nước tự nhiên bị giảm

đi, chúng có thể làm cho khả năng ngập lụt ở hạ lưu trầm trọng thêm Sự xáo động cânbằng của một đoạn sông được tạo lại dòng chảy ảnh hưởng tới cả miền trên và dưới củađoạn sông đó

Lượng vật liệu bồi lắng tăng lên do sự chuyển đổi đất tự nhiên thành đất canh tác

và ở các vùng đô thị hoá Vật liệu bồi lắng tạm thời tích luỹ trong lòng sông làm giảm thểtích dòng chảy, giảm thể tích dòng chảy gây ra lũ lớn thường xuyên Hậu quả của hệthống thoát nước trong thành phố (cống nước thải) đã cung cấp thêm nhiều nước hơn chocác con sông trong khoảng thời gian ngắn so với những con sông trong vùng không đô thịhoá Biên độ lũ do các trận mưa dâng trong vùng đô thị hoá cũng tăng lên Sông đáp lại

sự tăng vật liệu vận chuyển cũng như lưu lượng bằng cách mở rộng lòng chảy để phù hợpvới dòng chảy đã tăng lên Kết quả là bờ bị xói lở nghiêm trọng

3.2 Tự nhiên:

Các thung lũng sông được hình thành do tác dụng của hiện tượng rửa xói, vậtchuyển vật liệu rửa xói và trầm đọng vật liệu đó

Khi hình thành thung lũng sông, xói đáy và xói bờ có ý nghĩa chủ đạo Xói đáy làhiện tượng rửa xói lòng sông, sự cắt sâu của dòng sông dẫn đến tạo thành mặt cắt cânbằng chuẩn của sông - mặt cong nhịp nhàng của đáy lòng sông: dốc nhiều ở thượng lưu

và gần như nằm ngang về phía cửa sông, khi tiếp cận với gốc xói mòn Xói bờ được biểuhiện ở sự rửa khoét và xói sập bờ, dẫn đến mở rộng thung lũng

Mặt cắt dọc của sông lượn thoải ở những đoạn: cấu tạo bởi đất đá mềm yếu, dễ bịrửa xói, bị sụt lún do vận động kiến tạo trẻ, có khả năng tích đọng mãnh liệt vật liệu xốprời vì tốc độ chảy của sông thay đổi đột ngột khi mực nước dâng cao (do đất đá đổ) dotrượt, tại các sông nhánh nằm bên dưới dòng chảy gây nên; thấp và trũng, nằm ở nơi bịcactơ hoá

Mặt cắt dọc của sông tăng độ dốc ở những đoạn có cấu tạo bởi đá gốc bền rắn khórửa xói, bị nâng lên do vận động kiến tạo trẻ; lòng sông bị tắc nghẽn do đất đá đổ, trượt

 m - khối lượng nước của sông;

 v - tốc độ dòng chảy của sông

Lưu lượng nước trong lòng sông càng lớn, tốc độ dòng chảy càng cao thì công dosông thực hiện càng lớn So sánh giá trị động năng P của sông với trọng lượng G của vậtliệu rời do sông mang chuyển, tức là lưu lượng dòng cứng thì nếu:

 P > G xói mòn chiếm ưu thế;

 P = G cân bằng giữa xói mòn và tích tụ;

 P < G tích tụ chiếm ưu thế