Bài viết trình bày tóm tắt một mô hình tính toán ổn định bờ sông do Simon A. và Langendoen E. đề xuất theo phương pháp cân bằng giới hạn với hai kiểu trượt phẳng và trượt hàm ếch. Mô hình được áp dụng vào một vị trí trên sông Hậu nơi mực nước ngầm trong bờ được đo đồng thời với dòng chảy trong sông. Kết quả cho thấy tính toán theo kiểu trượt hàm ếch thì bờ sông bị mất ổn định. Điều này phản ánh sát thực tế hơn cho những bờ sông có cấu tạo địa chất gồm nhiều lớp, trong đó lớp đất yếu nằm dưới dễ có khả năng bị xói lở tạo ra hàm ếch thường gặp. Bài viết cũng trình bày một số hình ảnh trích từ một giao diện đồ họa thể hiện kết quả tính quá trình ổn định bờ sông mới được xây dựng.
Trang 1NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ XÂY DỰNG GIAO DIỆN
CHO MỘT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG
APPLICATION AND GRAPHICAL PRESENTATION
OF A RIVER BANK STABILITY NUMERICAL MODEL
Huỳnh Thanh Sơn
Lê Ngọc Khánh Nguyên
TÓM TẮT
Bài viết trình bày tóm tắt một mô hình tính toán ổn định bờ sông do Simon A và Langendoen E đề xuất theo phương pháp cân bằng giới hạn với hai kiểu trượt phẳng và trượt hàm ếch Mô hình được áp dụng vào một vị trí trên sông Hậu nơi mực nước ngầm trong bờ được đo đồng thời với dòng chảy trong sông Kết quả cho thấy tính toán theo kiểu trượt hàm ếch thì bờ sông bị mất ổn định Điều này phản ánh sát thực tế hơn cho những bờ sông có cấu tạo địa chất gồm nhiều lớp, trong đó lớp đất yếu nằm dưới dễ có khả năng bị xói lở tạo ra hàm ếch thường gặp Bài viết cũng trình bày một số hình ảnh trích từ một giao diện đồ họa thể hiện kết quả tính quá trình ổn định bờ sông mới được xây dựng.
ABSTRACT
This paper firstly summarizes the theory of a bank stability model proposed by Simon A and Langendoen E based on the limit equilibrium theory with two types of failure surface (planar or overhang generated on upper bank) The model is then applied to the Binhduc site on the Hau river bank where groundwater level was simultaneously measured with river water level Results obtained from the model show that the river bank is collapsed when the second type of failure surface is used in the calculation This reflects more reasonablely the phenomena observed from river banks with preferential retreat of erodible basal layer The paper also presents some figures extracted from a graphical interface recently established describing river bank erosion process.
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Sạt lở bờ sông là một hiện tượng tự nhiên và nó xảy ra phổ biến trên toàn thế giới Sạt lở bờ sông gây ra những thiệt hại kinh tế đáng kể như mất đất canh
Trang 2tác, hủy hoại các công trình cơ sở hạ tầng, làm giảm chất lượng nước và trầm trọng hơn, gây ra những tổn thất về nhân mạng
Hiện nay đã có một số mô hình tính toán liên quan đến sự sạt lở bờ sông như mô hình CCHE1D của Wu W và Vieira D A (2002), mô hình GSTARS3 của Yang C T và Simoẽs F J M (2002), mô hình MIKE21C của Viện nghiên cứu thủy lực Đan Mạch (2003), v v… Ngoài ra còn có những mô hình được dùng
để kiểm tra sự ổn định bờ sông mà phổ biến nhất là phần mềm SLOPE/W dựa trên
cơ sở phương pháp cân bằng giới hạn trong phân tích ổn định mái dốc đất
Trong bài viết này, mô hình BSTE (Bank Stability and Toe Erosion) do Simon A và Langendoen E đề xuất năm 2000 [1] được giới thiệu và áp dụng vào việc phân tích bài toán ổn định bờ sông trên cơ sở tính ổn định mái dốc có xét đến ảnh hưởng của dòng chảy, thực vật và một số công trình gia cố bờ Nhằm tạo thuận lợi hơn cho việc trình bày kết quả, một giao diện mô phỏng quá trình tính toán và hệ số ổn định mái bờ sông theo thời gian đã được xây dựng thêm
II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH BSTE
II.1 Các hình thức mất ổn định bờ sông
Sự mất ổn định bờ sông có thể xảy ra theo nhiều hình thức Mô hình BSTE xét các hình thức trượt phẳng có hay không có vết nứt trên mặt đất hay trượt hàm ếch khi tính toán sự ổn định của mái bờ Các hình thức trượt này xảy
ra khi lực gây trượt lớn hơn lực kháng trượt của khối đất
Hình 1: Các dạng trượt bờ sông được sử dụng trong mô hình BSTE
II.2 Các phương pháp tính hệ sổ ổn định F s
Hệ số ổn định Fs được xác định theo định nghĩa:
(luc khang truot) (luc gay truot)
s
F = Σ
Khi Fs > 1,3, bờ sông đuợc xem là ổn định, còn khi Fs < 1,0 thì bờ bị mất
ổn định Khi 1,0≤ Fs ≤1,3, bờ cũng được xem là ổn định nhưng cần cẩn thận khi gặp trường hợp này
Trang 3II.2.1 Tính F s theo phương pháp chia thành các lớp ngang
Đây là phương pháp phân tích cân bằng giới hạn trong đó sử dụng tiêu
chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb cho phần đất bão hòa và tiêu chuẩn Fredlund et
al cho phần đất không bão hòa.
Độ bền chống cắt của đất bão hòa nước được xác định bằng tiêu chuẩn Mohr-Coulomb:
τf = c' + (σ - µw) tan φ' (2)
trong đó τf : Ứng suất cắt tới hạn (kPa).
c’: Lực dính hiệu dụng (kPa)
σ : Ứng suất pháp (kPa)
µw: Áp lực nước lỗ rỗng (kPa).
φ' : Góc ma sát trong hiệu dụng (độ).
Ở vị trí bên trên đường bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng có giá trị âm và có
tác dụng tăng lực dính biểu kiến của đất Fredlund et al đã dùng một thông số
đặc trưng là φ bđể diễn tả mối quan hệ giữa sự gia tăng độ bền của đất với áp lực nước lỗ rỗng âm Theo đó, lực dính biểu kiến được tính như sau:
ca = c' + (µa - µw) tanφ b = c' + ψ tanφ b (3)
trong đó ca: Lực dính biểu kiến (kPa), µa: áp lực khí lỗ rỗng (kPa)
ψ : Lực hút ma trận của đất (kPa), φ b thay đổi tùy theo từng loại đất và theo độ ẩm
Ngoài các áp lực nước lỗ rỗng âm và dương, mô hình còn kể đến các lớp đất với trọng lượng đơn vị thay đổi theo độ ẩm và áp lực nước sinh ra do dòng chảy Mô hình có thể chia profile bờ sông thành tối đa 5 lớp có tính chất cơ lý không đổi trong từng lớp
Hệ số an toàn được tính theo biểu thức:
trong đó ci': Lực dính hữu hiệu của lớp đất thứ i (kPa)
Li: Chiều dài phần mặt trượt cắt qua lớp đất thứ i (m)
Si: Lực hút ma trận trong phần không bão hòa của mặt trượt (kN/m)
Wi: Trọng lượng lớp đất thứ i (kN)
1
1
sin sin[ ]
I
b
i
i
F
=
=
=
∑
∑
Trang 4Ui: Lực đẩy nổi trong phần bão hòa của mặt trượt (kN/m).
Pi: Áp lực thủy tĩnh (kN/m)
β: Góc trượt (độ, tính từ phương ngang), α : góc mái bờ (độ, tính từ phương ngang)
I: Số lớp đất
II.2.2 Tính F s theo phương pháp chia thành các cột đứng
Đây cũng là phương pháp phân tích cân bằng giới hạn Ngoài các lực như trong phương pháp chia lớp ngang ở trên, phương pháp này còn kể đến lực pháp tuyến và lực cắt tác dụng trên mỗi phân đoạn của khối trượt Áp lực nước do dòng chảy trong lòng dẫn được xác định như là phần áp lực thủy tĩnh nằm ngang tác dụng lên phần mặt trượt thẳng đứng qua khối nước Hình 2 trình bày sơ đồ một khối trượt được chia thành 3 cột đất trượt chính (1, 2, 3) bằng với số lớp đất ngang Mỗi cột đất trượt chính lại được chia thành 3 cột đất trượt phụ (a, b, c) nhằm tăng độ chính xác khi tính hệ số ổn định Fs
Hình 2: Chia khối đất trượt thành các cột đất trượt chính và phụ
Fs được xác định theo một quá trình tính lặp gồm 4 bước:
- Bước 1: cộng các lực thẳng đứng tác dụng lên một cột đất trượt để tính lực pháp tuyến Nj tác dụng lên đáy cột đất
ĐBH gần đúng
ĐBH thực
Các cột đất trượt chính 1,
2, 3
Các cột đất trượt phụ
a, b, c
Trang 5- Bước 2: cộng các lực nằm ngang tác dụng lên một cột đất trượt để tính lực pháp tuyến hông Inj tác dụng giữa các cột đất
- Bước 3: lực tiếp tuyến hông Isj được tính từ Inj theo phương pháp Morgenstern-Price (1985)
- Bước 4: cộng các lực ngang trên toàn bộ các cột đất, từ đó tính Fs
Trong lần tính lặp thứ nhất, các lực pháp tuyến và tiếp tuyến hông được bỏ qua và lực pháp tuyến
cos
j j
W N
β
≅ , trong đó Wj là trọng lượng cột đất trượt thứ j Lần tính lặp này cho giá trị bình thường của Fs
Tiếp theo, các lực pháp tuyến và tiếp tuyến hông được xác định theo biểu thức:
(5)
(6)
Sau lần lặp thứ nhất, lực pháp tuyến ở đáy cột đất trượt j ≤ J được xác định theo biểu thức:
(7)
Thường thì các lực pháp tuyến hông tính được có giá trị âm (nghĩa là chịu kéo) ở gần đỉnh của khối trượt Vì đất không thể chịu được ứng suất kéo lớn, một vết nứt được giả sử hình thành ở biên tương giao cuối cùng giữa các cột đất trượt
Fs được xác định từ sự cân bằng của các lực theo phương ngang và đứng của mỗi cột đất trượt phụ với các lực theo phương ngang của toàn bộ khối trượt: (8)
Mô hình sẽ tiến hành tính lặp theo các biểu thức (5) - (8) cho đến khi Fs hội tụ
II.2.3 Tính F s theo hình thức trượt hàm ếch
( )
1
1
sin
J
b
j
j
F
N P
=
=
=
∑
∑
, 1
cos tan cos
−
β
0,4 sin j
j
L
L
, 1
'
sin tan sin cos
b
s j
j s
c L S U
W I I
F N
F
−
=
β +
≈
Trang 6Hệ số an toàn Fs là tỉ số giữa lực kháng cắt của đất và trọng lượng của khối đất phía trên hàm ếch Nếu bờ sông bị ngập nước thì trọng lượng các lớp chịu tác dụng của nước sẽ được giảm thành trọng lượng đẩy nổi Fs được tính theo biểu thức:
Trong đó Wi : Trọng lượng cột đất thứ i
II.3 Mô hình tính xói chân bờ
Để tính toán ứng suất cắt tác dụng lên bờ sông, miền dòng chảy trong một mặt cắt ngang được chia ra thành nhiều phần bởi những đường thẳng được giả sử
là đường phân giác của góc chân bờ trung bình hay của góc bờ trung bình (hình 3) sao cho mỗi phần bờ có hệ số nhám như nhau
Hình 3: Sơ đồ phân đoạn tính xói chân bờ
Ứng suất cắt trung bình tác dụng lên mỗi vị trí của bờ được tính theo công thức:
τ = γo w RS (10)
Trong đó το: Ứng suất cắt trung bình (Pa)
γw: Trọng lượng riêng của nước, γw = 9.81 (kN/m3)
R : Bán kính thủy lực cục bộ (của mỗi phần chia)
S : Độ dốc của lòng dẫn (m/m)
' 1
1
I
b
i
i
F
W P
=
=
=
−
∑
∑
Trang 7Chiều dài xói lở trung bình tại từng vị trí trong khoảng thời gian ∆t theo Partheniades (1965):
E = k ∆t(τo – τc) (11)
Trong đó E: chiều dài xói lở (m)
∆t: bước thời gian (s)
το: ứng suất cắt trung bình (Pa)
τc: ứng suất cắt tới hạn (Pa)
k: hệ số xói lở (m3/Ns)
Arulanandan et al (1980) đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cho nhiều
loại đất ở Mỹ và đề nghị biểu thức quan hệ giữa hệ số xói lở k và ứng suất cắt tới hạn τccho từng loại đất:
k = 10-7τc-0.5 (12)
III ỨNG DỤNG BƯỚC ĐẦU CỦA MÔ HÌNH
Mô hình BSTE được áp dụng vào một vị trí hiện bị sạt lở trên bờ sông Hậu tại xã Bình Đức, thành phố Long Xuyên Hình 4 trình bày mặt cắt ngang của sông Hậu tại vị trí nghiên cứu (nhận được từ việc đo dòng chảy trong sông bằng thiết bị ADCP) Ngoài việc đo mực nước sông, còn tiến hành đo đồng thời mực nước ngầm trong bờ sông qua những ống đo áp đặt thẳng góc với bờ trên một khoảng cách 20 m tính từ mép bờ (hình 5) Kết quả đo đạc mực nước ngầm đã được trình bày trong [2] Tình hình địa chất tại vị trí nghiên cứu cũng đã được khảo sát chi tiết và một số chỉ tiêu cơ lý của đất được ghi trong bảng 1
Trong quá trình tính toán với mô hình BSTE, hệ số nhám của lòng dẫn tại đoạn sông đang xét đã được chọn n = 0,027 tương ứng với một đoạn sông bình thường
Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 2 với hai phương pháp tính ổn định mái dốc theo kiểu trượt phẳng và trượt hàm ếch Chỉ đến ngày thứ 8 thì bờ sông mới đủ điều kiện để cho phép tính toán theo kiểu trượt hàm ếch Có thể thấy trên hình 6 rằng hệ số an toàn Fs giảm theo thời gian nhưng kiểu trượt hàm ếch luôn cho giá trị của Fs nhỏ hơn và đến ngày thứ 18 thì khối đất bờ phía trên hàm ếch bị phá hoại (Fs < 1) trong khi tính theo kiểu trượt phẳng thì bờ sông vẫn an toàn
Bờ bị trượt theo kiểu hàm ếch làm bờ sông lùi vào trong 1,24 m với tốc độ
sạt lở trung bình = 1,24/18 = 0,07m/ngày.
Trang 8Hình 4: Mặt cắt ngang sông Hậu tại vị trí nghiên cứu
Hình 5: Bố trí các ống đo mực nước ngầm trong bờ sông tại Bình Đức
(Long Xuyên)
Bảng 1: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất tại nơi khảo sát
Lớp đất tự nhiên TLR đẩy nổi TLR Độ bão hòa rỗng Độ dính Lực Góc ma sát trong Hệ số thấm
1
2
3
Trang 9Bảng 2: Kết quả tính hệ số ổn định (HSOĐ) Fs theo thời gian
HSOĐ trượt phẳng 2,88 2,78 2,68 2,6 2,56 2,5 2,42 2,35 2,28
Ngày 9 10 11 12 13 14 15 16 17
HSOĐ trượt phẳng 2,21 2,18 2,09 2,07 1,99 1,89 1,82 1,76 1,71 HSOĐ trượt hàm ếch 2,04 1,86 1,72 1,6 1,51 1,4 1,29 1,19 1,08
HSOĐ trượt phẳng 1,67
HSOĐ trượt hàm ếch 0,98
hàm ếch
IV XÂY DỰNG GIAO DIỆN CHO MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG
Sau khi tính toán ổn định bờ sông, thông thường kết quả thu được sẽ được tổng hợp lại để tiện cho việc lưu trữ hoặc báo cáo Đối với các bài toán mô phỏng
sự ổn định bờ sông có kể đến sự thay đổi mặt cắt ngang của bờ, để thể hiện rõ ràng và đầy đủ kết quả tính toán, có thể tổng hợp bằng một đoạn phim theo dạng ảnh động Qua đó, người xem sẽ dễ dàng nhận thấy sự biến đổi của mực nước sông, mực nước ngầm, sự xói lở bờ sông, hệ số ổn định trượt v.v… và sự liên quan giữa chúng Điều này rất khó diễn tả bằng những phương pháp thể hiện thường dùng như bằng nhiều đồ thị hay bằng các hình ảnh đơn
Trang 10Việc chuyển kết quả tính toán thành một đoạn phim bao gồm 2 bước:
- Bước 1: Chuyển kết quả tính toán thành hình ảnh.
Để thực hiện bước này, có thể dùng một trong các phần mềm xử lý ảnh như Paint, Photoshop, Illustrator Các phần mềm này rất phổ biến và có giao diện thân thiện, dễ sử dụng Ngoài ra có thể dùng Mircosoft Excel để hỗ trợ trong việc
vẽ đồ thị
Do kết quả tính toán được thể hiện ở dạng hình ảnh nên chúng ta có thể dễ dàng thể hiện tất cả các thông số liên quan đến bài toán lên hình mà không gặp một hạn chế nào
Để thể hiện thành một ảnh động, có thể chọn nhiều kết quả tính toán ở các thời điểm khác nhau để chuyển thành nhiều ảnh tĩnh Sau đó các ảnh tĩnh này sẽ được tổng hợp lại trong một ảnh động duy nhất
- Bước 2: Tổng hợp những hình ảnh thành một đoạn phim.
Sau khi đã có tất cả các hình ảnh, có thể sử dụng các phần mềm làm ảnh động để chuyển thành dạng ảnh động (phim) Có thể dùng các phần mềm đơn giản và hoàn toàn tự động như GIF Animator
Trên ảnh động sẽ thể hiện được các thông số đã đưa vào hình ở bước 1 và
sự thay đổi của chúng theo thời gian
Thường một ảnh động bao gồm khoảng 15 - 40 ảnh tĩnh thể hiện kết quả tính toán tại 15 - 40 thời điểm khác nhau
Đối với bài toán sạt lở bờ sông, dùng cách này có thể dễ dàng thể hiện được sự sạt lở bờ sông do tác dụng của dòng chảy theo thời gian, sự biến đổi hệ
số ổn định trượt theo thời gian và thời điểm xảy ra sạt lở
Hình 7 trình bày một số hình minh họa quá trình tính toán sạt lở bờ sông
theo thời gian trích từ đoạn phim tổng hợp có tên satlo.gif
Trang 11
Mực nước ngầm trong bờ Mực nước sông
Hình 7: Một số hình trích từ giao diện đồ họa diễn tả quá trình tính ổn định bờ sông
Trang 12V KẾT LUẬN
Mơ hình BSTE cung cấp thêm một cơng cụ để tính tốn ổn định bờ sơng nhằm dự báo mức độ sạt lở bờ Ưu điểm của mơ hình này là ngồi việc tính ổn định theo kiểu trượt phẳng thơng thường, mơ hình cịn cho phép tính trượt theo kiểu hàm ếch, đồng thời cĩ kể thêm sự xĩi lở chân bờ do dịng chảy gây ra cũng như tác dụng của dịng thấm trong bờ
Mơ hình khá đơn giản về mặt dữ liệu đầu vào nên cĩ thể dùng trong trường hợp nghiên cứu ban đầu và/hoặc đĩng vai trị mơ hình đối chứng trong trường hợp nghiên cứu sâu hơn
Trong tương lai, mơ hình sẽ được nghiên cứu ứng dụng thêm cho những trường hợp cĩ xét đến tác động của dịng chảy, của thực vật cũng như của các cơng trình gia cố bờ Phần giao diện nhập liệu và thể hiện kết quả mơ phỏng tính tốn ổn định bờ sơng theo thời gian của mơ hình cũng sẽ được cải tiến để tăng độ chính xác và hiệu quả sử dụng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Simon A et al (2000) Bank and near-bank processes in an incised channel
Geomorphology, 35: 183-217
2 Huỳnh Thanh Sơn (2007) Nghiên cứu dòng thấm không ổn định trong bờ sông vùng chịu ảnh hưởng triều Tuyển tập kết quả Khoa học và Công nghệ 2006-2007
(Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam), tr.358-369
Người phản biện: PGS.TS Lê Mạnh Hùng
