Nghiên cứu một số giải pháp phòng chống sạt nở bờ sông

Nghiên cứu một số giải pháp phòng chống sạt nở bờ sông Chuyên ngành Xây dựng Công Trình Thủy Tài liệu dành cho các bạn nghiên cứu, học tập, cũng như tài liệu cần thiết trong ngành xây dựng công trình thủy, tài liệu hữu ích cho các bạn trong quá trình học tập nghiên cứu môn học này.

Trường đại học XÂY DựNG

Nguyễn Kiên Quyết

Nghiên cứu một số giải pháp phòng chống

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS TS Trần Đình Hợi

2 PGS TS Đỗ Văn Đệ

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Bá Quỳ

Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Ngọc Quỳnh

Phản biện 3: PGS TS Phạm Thị Hương Lan

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Xây dựng

vào hồi giờ ngày tháng năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia và

thư viện Trường Đại học Xây dựng

mở đầu

1 tính cấp thiết của đề tài luận án

Mặc dầu nhiều năm qua nhà nước đã đầu tư khá nhiều cho các công trình chống sạt lở, nhưng thực tế những năm gần đây tình hình sạt lở trên các hệ thống sông không những không thuyên giảm mà lại

có xu hướng gia tăng cả về quy mô lẫn mức độ Điển hình là các sự kiện sạt lở bờ sông Hồng từ Sơn Tây về Hà Nội, trong đó gây tổn thất nghiêm trọng là hiện tượng sạt lở ở đoạn Phú Thịnh thuộc thị xã Sơn Tây và Ngọc Thụy thuộc Gia Lâm, Hà Nội Trên các sông Cửu Long, trong vài năm gần đây là các sự kiện sạt lở bờ khu vực Cù lao Long Khánh, sông Tiền và đoạn đường Quốc Lộ 91 trên sông Hậu

Để chống sạt lở bờ sông, tùy theo mức độ, nguyên nhân, yêu cầu

sử dụng, khả năng đầu tư, ngoài giải pháp phi công trình ra, có thể áp dụng nhiều loại giải pháp công trình, từ đơn giản đến phức tạp, từ tạm thời đến vĩnh cửu, nhưng trên góc độ khoa học - công nghệ có thể chia ra hai loại cơ bản: Công trình chống sạt lở thông qua tác động vào lòng dẫn, công trình chống sạt lở thông qua tác động vào dòng chảy, nhất là công trình dạng MH

Tuy vậy, bên cạnh một số công trình MH đạt hiệu quả tốt như Nghi Xuyên trên sông Hồng, Đông Trù trên sông Đuống, Phan Rang trên sông Dinh v.v vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề khoa học - công nghệ chưa giải quyết tốt, dẫn đến những hiện tượng hạn chế đến hiệu quả của công trình

2 ý nghĩa khoa học của đề tài luận án

Luận án đã lý giải hiện tượng xói bất thường tại các cụm MH vùng ĐBBB

Luận án đã nghiên cứu kết cấu dòng chảy ở khúc sông cong và nhận thấy MH bố trí trên đoạn sông cong phải bố trí cánh hướng dòng để đón được dòng chảy theo phương ngang để đẩy ra xa bờ

Xác định được chiều dài hữu hiệu và góc mở hữu hiệu giữa cánh hướng dòng và thân MH

Luận án đã nghiên cứu kết cấu dòng chảy khi ngập sâu trên bãi rộng, nhận thấy phân bố vận tốc trên phương ngang sẽ thay đổi khi mực nước thay đổi, trục động lực sẽ dịch chuyển sát vào nơi tiếp giáp giữa MH và bờ bãi, cắt đứt gốc MH như đã xẩy ra ở các hệ thống MH vùng ĐBBB Từ đó đề xuất giải pháp ổn định gốc MH bảo vệ đường

bờ

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án

- Phân tích được các nguyên nhân, cơ chế làm suy giảm hiệu quả công trình MH trong chống sạt lở bảo vệ bờ trên đoạn sông cong có dòng chảy ngập sâu trên bãi rộng

- Đề xuất các giải pháp Khoa học - Công nghệ nhằm nõng cao hiệu quả chống sạt lở bờ của công trình MH ngập trên các đoạn sông cong, có bãi rộng

4 đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

5 phương pháp nghiên cứu của luận án

- Phương pháp khảo sát thực địa được sử dụng để bổ sung và kiểm tra số liệu và kiểm tra kết quả tính toán;

- Phương pháp phân tích, xử lý tổng hợp các số liệu thực đo thủy văn, địa hình, bản đồ lịch sử, phân tích diễn biến, hình thái đoạn sông;

- Phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ thủy lực, các phương án bố trí không gian của các giải pháp chống sạt lở bờ sông trên đoạn sông cong có dòng chảy ngập sâu trên bãi rộng;

- Phương pháp mô hình vật lý được sử dụng để nghiên cứu đánh giá hiệu quả của các giải pháp đề xuất trong chống sạt lở bờ đoạn sông nghiên cứu

6 Những đóng góp chủ yếu của đề tài luận án 1) Trên cơ sở các phân tích về kết cấu dòng chảy, cơ chế biến hình lòng dẫn, tác giả luận án đã xây dựng được các đường cong và công thức về quan hệ giữa các yếu tố hình thái lòng dẫn, yếu tố dòng chảy và các yếu tố bố trí công trình tại các đoạn sông cong, có dòng chảy ngập sâu trên bãi rộng Thông qua đó đã làm sáng tỏ các nguyên nhân và các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng sạt lở bất thường tại một số công trình MH vùng ĐBBB, làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp công trình, nhằm khắc phục được những hạn chế còn tồn tại đối với loại công trình MH chống sạt lở tại các đoạn sông cong, có dòng chảy ngập sâu trên bãi rộng

2) Tác giả luận án đề xuất giải pháp chống sạt lở bờ trên đoạn sông cong bằng công trình MH có cánh hướng dòng, đã xác định

được độ dài hợp lý của cánh hướng dòng; góc hợp lý giữa cánh hướng dòng và thân MH

3) Đối với đoạn sông cong có dòng chảy ngập sâu trên bãi rộng, tác giả luận án đề xuất chỉ tiêu đánh giá bãi rộng, chỉ tiêu đánh giá ngập sâu và đề xuất giải pháp chống hiện tượng tập hậu sau MH, ổn

định bờ

4) Tác giả luận án đã đề xuất giải pháp để giảm thiểu được chiều sâu hố xói tại khu nước vật của MH bằng cách giảm lưu lượng tràn qua đỉnh MH thông qua giải pháp xác định cao trình hợp lý của đỉnh

MH

7 bố cục của luận án

Luận án gồm 108 trang thuyết minh, 40 bảng, 59 hình vẽ, 2 trang danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả có liên quan

đến luận án, 10 trang tài liệu tham khảo, 80 trang phụ lục và một số hình minh hoạ Nội dung gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chương:

- Chương 1 :Tổng quan các thành tựu nghiên cứu về giải pháp phòng chống sạt lở bờ sông

- Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp chống sạt lở tại đọan sông cong có dòng chảy ngập sâu trên bãi rộng

- Chương 4: ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công trình thực tế

Chương 1 Tổng quan các thành tựu nghiên cứu về giải

Những nghiên cứu cơ bản về động lực học dòng sông và công trình chỉnh trị sông bùng nổ trong 50 năm, từ thập kỷ 30 đến thập kỷ

80 của thế kỷ XX, đã đạt được những thành tựu to lớn và có thể nói

đã dừng lại vào hai thập kỷ cuối của thế kỷ vừa qua

Hiện nay, tại các nước tiên tiến, hầu hết các sông lớn đã có những công trình điều tiết dòng chảy, các yếu tố dòng chảy bất lợi đã

đựơc khống chế, kiểm soát, nên những vấn đề về chỉnh trị sông về cơ bản đã đựơc giải quyết, họ đang chuyển sang giai đoạn chỉnh trị sông phục vụ tôn tạo cảnh quan và cải thiện môi sinh

Tuy vậy, có những vấn đề vẫn tồn tại dai dẳng, cho đến nay vẫn chưa giải quyết được trọn vẹn, như vấn đề dự báo sạt lở bờ sông, mô phỏng số các hiện tượng biến hình 3D Trong đó, nhiều vấn đề biến

hình lòng dẫn vẫn phải dựa chủ yếu vào tính toán theo công thức kinh nghiệm hay thử nghiệm trên mô hình vật lý, mà mô hình vật lý thì vẫn còn xa mới giải quyết được các tiêu chuẩn tương tự về chuyển

động bùn cát Do đó, công trình chỉnh trị sông vẫn là loại công trình phải thử dần trong từng trường hợp cụ thể

đã được bắt đầu từ những năm 90 của thế kỷ trước, như công trình gia

cố bờ sông Cổ Chiên ở Vĩnh Long, bờ sông Rạch Sa Đéc, bờ sông Tiền ở Sa Đéc và ở Tân Châu, bờ sông Hậu ở Long Xuyên v.v Công trình chỉnh trị không những đã góp phần chống sạt lở bờ mà còn làm

đẹp cảnh quan môi trường xung quanh

ở miền Trung, một số công trình chỉnh trị ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật đã thành công, như công trình cắt sông để bảo vệ

bờ đê Quản Xá trên sông Chu, công trình sử dụng kết cấu hoàn lưu nhân tạo đạt hiệu quả chống sạt lở gây bồi lấp lạch sâu, bảo vệ đê sông Dinh ở Phan Rang ổn định hơn 14 năm nay

Đã nắm vững được các phương pháp nghiên cứu chính, làm chủ

được một số kỹ thuật và công nghệ cao, các phần mềm tính toán hiện

đại, lực lượng nghiên cứu tương đối có trình độ tương xứng với yêu cầu công việc

1.2 những vấn đề tồn tại

1.2.1 Tồn tại trong nghiên cứu cơ bản

- Hầu hết các nghiên cứu về MH trên Thế giới và ở Việt Nam chỉ thảo luận MH không ngập, và cho rằng mực nước ngang đỉnh MH

là bất lợi nhất Nhưng ở Việt Nam, do mực nước có dao động lớn, phần ngập trên MH có khi còn lớn hơn phần từ đỉnh MH trở xuống

- Hầu hết các MH được xây dựng, gốc MH chỉ nối tiếp mặt với

bờ bãi tràn, trong trường hợp lòng sông có bãi rộng, chủ lưu có thể vòng ra đánh tập hậu phía trong gốc MH

- MH có cánh hướng dòng đã được ứng dụng ở một vài nơi, tuy nhiên cơ sở khoa học cho loại công trình này (dùng ở đâu và dùng như thế nào) còn chưa được nghiên cứu kỹ

1.2.2 Tồn tại trong nghiên cứu ứng dụng và vận dụng vào thực tế

- Trong thiết kế các công trình chỉnh trị sông, việc xác định đối

tượng chỉnh trị và đối tượng tác động chưa được nghiên cứu thấu đáo, dẫn đến việc sử dụng loại hình công trình (gia cố bờ hay MH) không thích hợp hay xác định cao trình đỉnh không phù hợp

- Góc lệch của các MH chưa được xác định theo kết cấu dòng chảy, hầu hết các MH đều bố trí xuôi thuận theo hướng dòng chảy;

- Hầu hết các MH xây dựng đều là MH thẳng không có cánh hướng dòng;

- Kết cấu MH chưa chú trọng chống xói mũi và gốc, và việc duy

tu sửa chữa định kỳ;

- Chưa tổng kết đánh giá các công trình đã thực hiện để rút ra các bài học kinh nghiệm

1.2.3 Tồn tại trong cơ chế quản lý đầu tư

- Các dự án công trình chỉnh trị sông thường cho thời gian nghiên cứu quá ngắn, nhưng thời gian thi công lại kéo quá dài, nên tình trạng nghiên cứu quá sơ sài, công trình không đạt hiệu quả như mong muốn là phổ biến

- Quy chế xét duyệt đồ án chưa khuyến khích áp dụng các tiến

bộ KH-CN, chưa có quy định về chế độ duy tu, bảo dưỡng công trình

chỉnh trị sông

1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Luận án sẽ đi sâu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của công trình tác động vào dòng chảy, và đối tượng chính là công

trình MH Nội dung mà NCS tập trung đi sâu nghiên cứu đối với công trình MH như sau:

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp giảm thiểu hố xói cục bộ đầu

MH tại đoạn sông cong;

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp bảo vệ vùng bãi gốc MH trong

điều kiện lòng sông có bãi rộng;

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp giảm thiểu hố xói lòng dẫn trong khu nước vật của MH

Chương 2 cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

2.1 một số khái niệm khoa học

2.1.1 Định nghĩa về khái niệm bãi rộng

Khái niệm về bãi rộng được thể hiện thông qua hệ số K=(Bb /B0),

là tỷ số giữa bề rộng bãi và bề rộng lòng dẫn cơ sở (ứng với lưu lượng tạo lòng)

- Nếu 0<K<2,0 là sông có bãi hẹp;

- Nếu K>2,0 là sông có bãi rộng

2.1.2 Định nghĩa về khái niệm ngập sâu

Công trình chỉnh trị không ngập: Là công trình có cao trình không bị ngập ở các mực nước mùa khô, mùa nước trung và mùa lũ, nghĩa là tỷ số H/D=1 (H độ sâu mực nước khu vực xây dựng công trình ứng với mực nước lũ; D chiều cao công trình chỉnh trị)

Công trình chỉnh trị ngập: Là công trình có cao trình ngang bằng mực nước mùa nước trung và bị ngập mùa nước lũ, nghĩa là tỷ số 1<H/D<1,5

Công trình chỉnh trị ngầm (ngập sâu): Là công trình có cao trình ngang với mực nước kiệt nhưng bị ngập ở mùa nước trung và mùa nước lũ, nghĩa là tỷ số H/D>1,5

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp phân tích số liệu thực đo

Thu thập bộ số liệu thực tế các công trình chỉnh trị sông đã xây dựng trong phạm vi ĐBBB và ĐBNB, đặc biệt đi sâu vào ĐBBB Số liệu dẫn đều từ các dự án sản xuất, số liệu thực đo về thủy văn, địa hình và địa chất có cơ sở pháp lý, liệt số liệu dài

Chỉnh lý số liệu: Tài liệu địa hình, thủy văn được quy về cùng hệ cao độ nhà nước

Chập diễn biến: trên mặt bằng, trên mặt cắt ngang

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý

- Tỷ lệ mô hình: Tỷ lệ mặt bằng (1/400); tỷ lệ thẳng đứng (1/100); hệ số biến thái bằng 4; hằng số tỷ lệ vận tốc λv=10; hằng số

tỷ lệ lưu lượng λQ=400.000

- Kịch bản nghiên cứu: Nghiên cứu trên mô hình lòng cứng

- Các yếu tố quan trắc: Mực nước, trường lưu tốc, lưu hướng,

mùa lũ và mùa nước trung

- Thiết bị thí nghiệm: (-) Đo lưu lượng chảy vào mô hình qua

một đập tam giác vuông thành mỏng (-) Đo mực nước dùng kim đo

có chia tới đơn vị nhỏ nhất là 1 mm (-) Đo vận tốc bằng máy đo vận

tốc p.e.m.s (Delt hydraulics) (-) Đo lưu hướng mặt: chụp ảnh và ghi băng hình chuyển động của phao nổi (-) Đo lưu hướng đáy: dùng tấm kim loại buộc chỉ

- Kiểm định mô hình: Mô hình được kiểm định về tương tự hình

học, tương tự mực nước và sửa nhám với cấp lưu lượng lũ, cấp tạo lòng và cấp kiệt Kết quả kiểm định mô hình cho thấy các điều kiện tương tự đều được thoả mãn, đủ điều kiện tiến hành thí nghiệm

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán

- Để giải quyết những mục tiêu đặt ra, luận án sử dụng mô hình MIKE 21 Flow Model FM (gọi tắt là MIKE21 FM) để nghiên cứu

Đây là mô hình thủy lực với lưới tính toán phi cấu trúc (Flexible Mesh, viết tắt là FM) là một hệ thống mô hình toán hoàn chỉnh cho các bài toán thủy lực 2 chiều (2D) mới được DHI phát triển gần đây

- Biên cứng: Sử dụng bình đồ tỷ lệ 1/1000 đo năm 2007 của

Công ty TEDI-WECCO

- Biên lỏng: (-) Biên lũ: lấy theo kết quả tính toán trên mô hình

mạng lưới sông MIKE11, trường hợp lũ 500 năm (tần suất 0,2%), dạng lũ 1996, điều tiết 4 hồ (-) Biên tạo lòng: Từ Cửa Đuống ngược

về Thượng cát Q = 11.000 m3/s; từ Cửa Đuống xuôi về Vạn Phúc, Q= 7500 m3/s Mực nước tạo lòng tại trạm thủy văn Hà Nội là +9,5m

- Cơ sở dữ liệu thủy văn phục vụ hiệu chỉnh mô hình: (-) Số

liệu thực đo của Công ty TEDI-WECCO thực hiện năm 2007; (-) Số

liệu thực đo của đề tài KC.08.14/06-10 thực hiện tháng 6ữ7/2008

- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Kết quả cho thấy sự khác

biệt rất nhỏ giữa lưu tốc và lưu lượng tính toán với các giá trị thực đo, như vậy mô hình đảm bảo độ tin cậy cần thiết

Chương 3 nghiên cứu đề xuất giải pháp chống sạt lở tại đọan sông cong có dòng chảy ngập sâu

độ rối động lớn

b) ảnh hưởng của bố trí công trình

- MH không có cánh hướng dòng: Hầu hết các MH xây dựng

trên các triền sông ĐBBB đều là MH thẳng, trục thân MH đặt một góc α với đường bờ, không bố trí cánh hướng dòng

- Góc hợp với dòng chảy: Góc giữa trục MH và dòng chảy gần

như không tuân theo một nguyên tắc nào: trong một cụm công trình

có cái xiên thuận, có cái vuông góc, có cái hơi chếch ngược; góc lệch của các MH chưa được xác định theo kết cấu dòng chảy, hầu hết các

MH đều bố trí xuôi thuận theo hướng dòng chảy

- Cao trình đỉnh MH: Cao trình đỉnh của một số cụm MH

đã xây dựng trên các triền sông vùng ĐBBB đều thấp hơn so với mực nước ứng với lưu lượng tạo lòng, mùa lũ MH ngập sâu từ (5ữ7)m, thậm chí có cụm MH Tầm Xá, Phú Gia, Tứ Liên còn ngập sâu từ (7ữ8)m

- Khoảng cách giữa các MH: Đa số các cụm MH được xây dựng,

khoảng cách giữa hai MH quá lớn, làm cho đoạn bờ không được che chở bởi khu nước vật giữa hai MH sẽ bị xói lở

c) ảnh hưởng của kết cấu công trình

Kết cấu công trình MH phổ biến gồm 2 loại: Mái nghiêng (đá

đổ); công trình cọc BTCT MH kết cấu cọc BTCT chảy xuyên là loại

công trình chỉ thích hợp cho trường hợp dòng chảy 2D Trong điều kiện lòng dẫn có tính 3D mạnh, MH chảy xuyên (cọc BTCT) không thể thực hiện việc phân bố lại lưu tốc trên phương ngang, dòng chảy buộc ép vào các khe giữa các cọc, làm lưu tốc tăng lên, gia tăng gây xói lòng dẫn

3.1.2 Nghiên cứu trên mô hình toán

a) Kịch bản nghiên cứu

- Thủy văn: cấp lưu lượng nghiên cứu lựa chọn từ cấp lưu lượng

tạo lòng tới cấp lưu lượng lũ thiết kế;

- Lòng dẫn: Lòng dẫn sông Hồng từ cầu Thăng long đến cầu Chương Dương;

- Mức độ ngập bãi: độ gia tăng từ (1ữ4)m, với cao trình bãi (+10)

b) Xây dựng quan hệ giữa độ ngập của bãi và vận tốc trung bình thủy trực tại gốc và mũi MH với các độ cong khác nhau

Bảng 3.11: Giá trị vận tốc tại thủy trực gốc MH

Poly (Bb=1,5B0) Poly (Bb=2B0) Poly (Bb=2,5B0) Poly (Bb=3B0)

Hình 3.2: Quan hệ giữa độ ngập của bãi và vận tốc tại gốc MH

với các độ cong khác nhau

Expon (Bb=1,5B0) Expon (Bb=3B0) Expon (Bb=2B0) Expon (Bb=2,5B0)

Hình 3.3: Quan hệ giữa độ ngập bãi và chiều sâu hố xói tại gốc

MH với các độ cong khác nhau

Poly (Bb=1,5B0) Poly (Bb=2B0) Poly (Bb=2,5B0) Poly (Bb=3B0)

Hình 3.4: Quan hệ giữa độ ngập của MH và vận tốc tại mũi MH

với các độ cong khác nhau

3.1.3 Lý giải hiện tượng xói bất thường tại các cụm công trình

MH

- Hiện tượng xói bất thường diễn ra hầu hết ở các cụm MH bố trí

trên các đoạn cong gấp, do mũi MH không có móc ngang theo chiều

dòng chảy để hạn chế ảnh hưởng của hoàn lưu sông cong Dòng chảy

phương ngang có phương trùng với trục MH, tổng hợp với hoàn lưu

trục ngang sau MH tạo ra kết cấu dòng chảy phức tạp và cường độ rối

động lớn, dẫn đến xói lở bờ cộng với xói lở đáy làm cho hố xói vừa

sâu vừa rộng như đã xẩy ra

- Hầu hết các trường hợp dẫn ra đều có cao trình đỉnh MH thấp,

dòng chảy tràn đỉnh có độ sâu lớn từ 7 đến 8m, lớn hơn chiều cao

MH, trong điều kiện đó MH làm việc như một đập tràn, tăng thêm

quy mô của hố xói cục bộ Những cụm MH có cao trình đỉnh cao

hơn, như trường hợp cụm MH Nghi Xuyên, không xẩy ra tình hình

này