NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG THỨ CẤP LÊN SẠT LỞ BỜ ĐOẠN SÔNG CONG TRÊN MÔ HÌNH THỦY LỰC THU NHỎ

TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG THỨ CẤP LÊN SẠT LỞ BỜ ĐOẠN SÔNG CONG TRÊN MÔ HÌNH THỦY LỰC THU NHỎ TRÀ NGUYỄN QUỲNH NGA CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI T

TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG THỨ CẤP LÊN SẠT LỞ BỜ ĐOẠN SÔNG CONG TRÊN MÔ HÌNH THỦY LỰC THU NHỎ

TRÀ NGUYỄN QUỲNH NGA

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

2.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới 4

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 7

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8

3.3 Nội dung nghiên cứu 8

3.4 Phương pháp nghiên cứu 10

4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 14

5 BỐ CỤC DỰ KIẾN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Một số vị trí xói lở trong đoạn sông Sài Gòn (điểm màu đỏ là vị trí bị

cảnh báo xói lở) [1] 2

Hình 2 Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2] 3

Hình 3 Vị trí đoạn Thanh Đa trên thực tế 8

Hình 4 Mô hình thủy lực thu nhỏ đoạn Thanh Đa trong phòng thí nghiệm 8

Hình 5 Vị trí các mặt cắt 11

Hình 6 Mô tả hệ thống PIV 12

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, tình hình sạt lở bờ sông Sài Gòn đang có xu thế gia tăng và diễn biến ngày càng phức tạp, gây ra những thiệt hại không nhỏ đến dân sinh, kinh tế Theo Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, các khu vực có nguy cơ sạt lở cao trên sông Sài Gòn là thượng lưu và hạ lưu nhà kho tang vật Công an quận Bình Thạnh (dài khoảng 100m); khu vực từ bờ kè Công đoàn đến Trại cai nghiện ma túy phường

27, quận Bình Thạnh; khu vực hố xói nhà thờ Lasan Mai Thôn và hạ lưu của hố xói nhà thờ Lasan Mai Thôn đến biệt thự Lý Hoàng; khu vực từ cảng container về phía

hạ lưu, phường Trường Thọ, quận Thủ Đức (có chiều dài 500m) nằm trên bờ lõm hố xói sâu 20-25m Đoạn bờ tại khu vực bán đảo Thanh Đa thuộc phường 27, 28 - quận Bình Thạnh có chiều dài tổng cộng khoảng 1km trong những năm gần đây bị trượt lở nghiêm trọng Đây là khu vực rất đông dân cư nên nhà cửa và hàng quán mọc san sát nhau Có thể điểm qua một số vụ trượt lở đáng chú ý như sau:

+ Đoạn đường bờ có chiều dài khoảng 300m, cách rạch Ông Ngữ 200m về phía

hạ lưu thuộc khu phố 1 phường 28, quận Bình Thạnh, cũng đang bị sạt lở với tốc độ trung bình 1.8m/năm

+ Lúc 22h30 ngày 29/06/2007 và 22h45 ngày 30/06/2007, các đợt trượt lở liên tiếp xảy ra tại khu vực phường 26, quận Bình Thạnh đã làm 15 căn nhà trên đường

Xô Viết Nghệ Tĩnh (địa chỉ số 801/70, 801/82, 801/82, 801/84, 801/86, 801/88 ) bị sụp xuống sông, may mắn không có thiệt hại về người

+ Vụ sạt lở nghiêm trọng xảy ra vào khoảng 23h ngày 24/7/2010 tại khu vực bờ sông kênh Thanh Đa (một nhánh của sông Sài Gòn, thuộc phường 27, quận Bình Thạnh, TP.HCM) 11 căn nhà của người dân nằm trên đường Thanh Đa, phường 27, quận Bình Thạnh bị sụp xuống sông và 12 căn nhà khác bị hư hại với nhiều mức độ khác nhau

Trước thực tế đó, việc chủ động phòng chống và đưa ra được những giải pháp hữu hiệu để bảo vệ bờ sông thực sự cấp thiết

Sạt lở bờ sông là một quá trình phức tạp, nó phụ thuộc nhiều yếu tố như: vật liệu cấu tạo địa chất, hình thái sông, chế độ dòng chảy trong sông, các hoạt động dân sinh… cụ thể trong thực tế là tác động thường xuyên và có tính vỗ đập của sóng (do

tàu thuyền, gió…), dòng chảy ép sát bờ, tình trạng khai thác cát trái phép gây xói sâu dẫn đến sạt bờ, các công trình xây dựng ven bờ làm gia tăng áp lực lên lên mái bờ… Theo thống kê trong nghiên cứu của Thiềm Quốc Tuấn, đoạn sông Sài Gòn từ cầu Bình Phước đến ngã ba mũi Nhà Bè có nhiều điểm sạt lở (Hình 1) [1] Hầu hết các điểm sạt lở trong Hình 1 đều xảy ra ở đoạn sông cong

Hình 1 Một số vị trí xói lở trong đoạn sông Sài Gòn (điểm màu đỏ là vị trí bị

cảnh báo xói lở) [1]

Tại những đoạn sông cong thường xuất hiện dòng chảy thứ cấp (những dòng chuyển động trong sông không theo phương chung, có hướng ngang vuông góc với bờ) Sơ lược cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp như sau: khi nước chảy qua những đoạn sông cong, lực li tâm hướng theo phương của bán kính cong sẽ kết hợp với áp suất

dư của nước làm cho lớp nước theo phương thẳng đứng sẽ bị phân tách thành 2 phần: phần phía trên dịch chuyển theo chiều của lực li tâm hướng từ bờ lồi sang bờ lõm, lớp nước phía dưới thì di chuyển ngược lại theo chiều của áp suất dư từ bờ lõm sang

bờ lồi Như vậy dòng chảy thứ cấp 1 chiều ở trong sông được hình thành Dòng chảy thứ cấp này gây xói bờ lõm và mang vật chất của bờ lõm sang bồi đắp bên bờ lồi (Hình 2)

Hình 2 Cơ chế gây ra dòng chảy thứ cấp ở đoạn sông cong [2]

Dòng chảy thứ cấp là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến biến hình lòng dẫn Do tác dụng của dòng chảy thứ cấp mà dòng chảy trên mặt có lượng ngậm cát tương đối bé chảy về phía bờ lõm, dòng chảy đáy có lượng ngậm cát tương đối lớn chảy về phía bờ lồi làm xói bờ lõm và bồi bờ lồi Ở những đoạn sông cong gấp khúc, bùn cát ở đáy theo dòng chảy vòng di chuyển từ bờ lõm sang bờ lồi đối diện và lắng đọng Dòng chảy thứ cấp hướng ngang kết hợp với dòng chảy dọc làm thành dòng chảy xoắn Kích thước quy mô dòng chảy xoắn không giống nhau Đối với dòng chảy xoắn lớn có thể chiếm một phần lớn trong mặt cắt ngang của dòng sông và ảnh hưởng đến sự biến hình lòng sông [3]

Vậy, để hiểu rõ cấu trúc của dòng chảy thứ cấp và ảnh hưởng của dòng thứ cấp đến vấn đề sạt lở bờ sông như thế nào và làm sao để có thể hạn chế tác động của dòng thứ cấp đến sạt lở bờ sông cong thì chưa có nghiên cứu cụ thể, đặc biệt là đoạn cong Thanh Đa trên sông Sài Gòn trong những năm gần đây sạt lở bờ xảy ra thường xuyên

và nghiêm trọng Xuất phát từ ý tưởng trên, đề tài “Nghiên cứu tác động của dòng

thứ cấp lên sạt lở bờ đoạn sông cong trên mô hình thủy lực thu nhỏ” được thực

hiện nhằm làm rõ vấn đề đã nêu cho đoạn Thanh Đa Cụ thể, đề tài này sẽ đi chi tiết vào nghiên cứu cấu trúc dòng thứ cấp, từ đó tìm ra ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ để dự đoán sạt lở bờ và tìm giải pháp hạn chế tác động Việc tập trung nghiên cứu về bản chất xói lở để hạn chế dòng thứ cấp trong đề tài này là một nội dung mới

và đáp ứng được tình hình thực tế hiện nay Bên cạnh đó việc kết hợp nghiên cứu trên

cả 2 mô hình: mô phỏng dòng 3 chiều và mô hình vật lý đoạn sông cong thu nhỏ là phương pháp nghiên cứu mới, khả thi, phù hợp và ít được nghiên cứu ở Việt Nam

2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Từ trước tới nay, một số phương pháp thường được sử dụng để dự báo diễn biến lòng sông, sạt lở bờ sông như: phương pháp đo đạc hiện trường, phương pháp mô hình vật lý, phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và phương pháp mô hình toán Các phương pháp này không thể thiếu và phải hỗ trợ cho nhau nhằm đưa

ra kết quả chính xác Mỗi phương pháp khi áp dụng vào bài toán thực tế đều có những

ưu, nhược điểm riêng Ví dụ, phương pháp hiện trường đòi hỏi nhiều năm quan trắc một cách có hệ thống; phương pháp mô hình vật lý là cơ sở để xây dựng các công thức kinh nghiệm và có khả năng mô phỏng chính xác nhất đoạn sông cần nghiên cứu Tùy theo nhu cầu và khả năng kinh tế mà sử dụng các phương pháp phù hợp

2.1 Tình hình nghiên cứu trên Thế giới

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về cấu trúc phức tạp của dòng chảy qua các đoạn sông cong, trong đó có sự góp mặt của dòng thứ cấp, gây bồi, xói và sạt lở

bờ sông Có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình trong phòng thí nghiệm

về dòng thứ cấp ở đoạn kênh cong như:

- Jovein và cộng sự [4] đã làm mô hình thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc dòng chảy trong kênh cong 900, dài 6m, rộng 0.4m và sâu 0.45m được làm bằng plastic rắn Thí nghiệm được làm với các mức lưu lượng khác nhau Kết quả nhìn chung cho thấy vận tốc tại đoạn cong rất lớn, vận tốc lớn ở gần bờ trong và vận tốc nhỏ gần bờ bên ngoài Qua khỏi đoạn cong thì xu hướng vận tốc đảo ngược lại với vận tốc lớn nhất phân bố gần bờ ngoài và nhỏ nhất gần bờ trong

- Thí nghiệm của Abad và Garcia [5] nghiên cứu trên kênh cong Kinoshita (kênh gồm 7 đoạn cong liên tục và xen kẽ nhau, với tâm là đường cong Kinoshita) Thí nghiệm được thiết lập theo 2 chiều chảy xuôi và chảy ngược Kết quả thu được cho thấy sự ảnh hưởng của bán kính cong và các thông số Reynolds, năng lượng nhớt rối có ảnh hưởng nhiều đến vận tốc và sự hình thành dòng chảy thứ cấp

- Naji Abhari và cộng sự [6] kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình toán cho dòng thứ cấp trên kênh cong 900 có mặt cắt ngang hình chữ nhật, đáy bằng, và thành nhẵn

- Donatella Termini [7] nghiên cứu “Xói lở bờ và dòng thứ cấp trong kênh thí nghiệm uốn cong” Mô hình thí nghiệm được thực hiện với 2 giá trị tỉ lệ rộng/sâu khác nhau Nghiên cứu này chú ý đến sự tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông (bao gồm mức độ ổn định của bờ) Kết quả cho thấy, với tỉ lệ rộng/sâu nhỏ (B/h<10) thì dòng thứ cấp hình thành gần mặt thoáng ở phía bờ ngoài và phát triển cho tới khi lên tới mặt thoáng rồi triệt tiêu ngay tại đoạn cong Với tỉ lệ rộng/sâu lớn (B/h>10) thì gần như không thấy xuất hiện dòng thứ cấp

- Kết quả nghiên cứu “Dòng chảy qua đoạn sông cong” của Graf và Blanckaert [8] với mô hình thí nghiệm là kênh có địa hình đáy có thể xói lở được cho thấy dòng chảy thứ cấp là một hiện tượng đặc trưng trong kênh cong Vận tốc dòng chảy tăng dần về phía bờ ngoài và đạt giá trị lớn nhất ở gần đáy Thí nghiệm trong nghiên cứu này còn cho thấy có thể giảm xói lở ở đoạn cong bằng cách tạo một vùng đệm hợp lý

ở bờ ngoài để làm giảm vận tốc đập vào bờ ngoài gây xói lở

Tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ tập trung vào kiểm định lý thuyết về dòng thứ cấp mà chưa ứng dụng cụ thể trong những địa hình phức tạp trên thực tế

Một số công trình nghiên cứu dòng thứ cấp được thực hiện bằng cách kết hợp

đo đạc thực địa và mô phỏng bằng mô hình toán như nghiên cứu của Rodi [9], Shimizu [10], Yang G Lai [11]… Nghiên cứu của Sinha và cộng sự [12] đã áp dụng

mô hình toán ba chiều cho một đoạn dài 4 km của sông Columbia phía hạ lưu của đập Wanapum Tuy nhiên đoạn sông này tương đối thẳng, do đó kết quả không thấy rõ cấu trúc dòng thứ cấp

Athanasios và cộng sự [13] nghiên cứu kết hợp đo đạc thực địa và làm thí nghiệm trên mô hình vật lý Các tác giả đã phân tích số liệu đo đạc thực tế một đoạn sông thẳng với sự co hẹp và mở rộng đột ngột tại lưu vực Paluose thuộc bang Washington, Hoa Kỳ Kết quả cho thấy sự hiện diện của dòng thứ cấp làm tăng độ lớn ứng suất cắt lên 2 lần, chứng tỏ dòng thứ cấp góp phần gây xói lở bờ sông và đáy sông Đồng thời, Athanasios sử dụng mẫu phù sa thu thập từ thực tế để tiến hành làm thí nghiệm trên một mô hình kênh đơn giản trong phòng thí nghiệm nhằm so sánh kết quả đo đạc thực tế và kết quả đo đạc thí nghiệm Nghiên cứu này đã xác định được mức độ tác động của dòng thứ cấp lên xói lở bờ sông Tuy nhiên, việc vừa đo đạc

phân tích hiện trường, vừa thí nghiệm trên mô hình vật lý thật sự tốn kém Bên cạnh

đó, kết quả nghiên cứu cũng còn nhiều hạn chế như chưa mô tả đúng thực tế và chỉ

áp dụng lên kênh mô hình đơn giản

2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước, trong những năm gần đây, nghiên cứu về xói lở, nhất là xói lở trên những đoạn sông cong chủ yếu dựa vào thống kê, khảo sát thực địa; và mô hình toán nghiên cứu tổng hợp các tác động

Nghiên cứu dựa vào khảo sát thực địa của Lê Ngọc Thanh và Nguyễn Văn Giảng [14] thực hiện khảo sát địa vật lý gần mặt đất để góp phần xác định nguyên nhân sạt

lở bờ sông Tiền và sông Sài Gòn Kết quả nghiên cứu này đã cho thấy cấu trúc địa chất bằng việc xác định các ranh giới giữa những lớp trầm tích, các lăng kính chứa nước, các đụn cát được hình thành qua nhiều giai đoạn khác nhau, góp phần quan trọng trong việc dự báo sạt lở đất và làm tiền đề cho các luận điểm về tích tụ trầm tích vùng bờ sông Tiền và bờ sông Sài Gòn

Các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán chủ yếu dùng mô hình dòng chảy 2 chiều với mục đích phục vụ cho công tác dự báo và thiết kế phương án phòng chống xói lở Những mô hình này có nhiều ưu điểm trong tính toán bồi xói Tuy nhiên chúng không thể mô tả được cấu trúc dòng thứ cấp theo phương ngang ở những đoạn sông cong

Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Hùng [15] sử dụng kết hợp khảo sát hiện trường (đo đạc địa hình, địa chất lòng sông, chế độ thuỷ lực, thuỷ văn của dòng chảy) và mô hình Mike21 để phân tích xác định nguyên nhân gây sạt lở khu vực kè Xuân Canh ở

đê tả sông Đuống Kết quả của nghiên cứu cho thấy nguyên nhân sạt lở chủ yếu do hình thái lòng sông kết hợp với các yếu tố dòng chảy và các yếu tố địa chất Tuy nhiên, nghiên cứu này mới dừng lại ở mức phân tích từ số liệu khảo sát đo đạc về địa hình, thủy văn, thủy lực và dựa trên kết quả mô hình toán thủy lực để đưa ra các nguyên nhân tổng hợp gây sạt lở bờ Vì vậy cần có những nghiên cứu sâu để có thể làm sáng tỏ hơn nữa những nguyên nhân này

Một số công trình nghiên cứu về bồi xói trong sông, vùng cửa sông và ven biển như:

- Nghiên cứu phòng chống xói lở bờ biển Hải Hậu, Cảnh Dương, Gò Công của Viện Khoa học Thủy lợi (đề tài KT.03.12.1991 - 1995) [16]

- Dự án đo đạc giám sát diễn biến lòng dẫn, bồi đắp và sạt lở bờ sông, cửa sông Đồng Nai - Sài Gòn và sông Cửu Long năm 2006 của Hoàng Văn Huân và các tác giả [17]…

- Báo cáo nghiên cứu khả thi Dự án phòng chống sạt lở bờ sông, bờ biển Gành Hào - huyện Giá Rai, tỉnh Bạc Liêu do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện năm 1998 [18]

Mặc dù ở nước ta có rất nhiều công trình nghiên cứu về sạt lở bờ sông, nhưng vẫn chưa có nghiên cứu đi sâu vào tác động của dòng thứ cấp lên sạt lở bờ dưới sự kết hợp mô hình vật lý và mô hình toán

3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

 Mục tiêu tổng quát:

Xác định ảnh hưởng của dòng thứ cấp lên hiện tượng sạt lở bờ sông Sài Gòn Nghiên cứu đề xuất một phương án kỹ thuật hạn chế tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông

 Mục tiêu cụ thể:

(1) Tìm ra sự phân bố vận tốc của dòng chảy

(2) Mô phỏng cấu trúc dòng chảy thứ cấp qua đoạn sông cong thu nhỏ ở trên và

mở rộng ra mô phỏng cho các tỷ lệ thu nhỏ từ biến dạng đến không biến dạng với sông

(3) Mối tương quan giữa ứng suất tiếp dòng chảy theo các đặc trưng hình học

và đặc trưng thủy lực của sông cong, cụ thể như sau:

- Ảnh hưởng của đặc trưng hình học sông (hình dạng, kích thước và bán kính cong) đến cấu trúc dòng thứ cấp và sự phân bố ứng suất tiếp dòng chảy

- Ảnh hưởng của lưu lượng dẫn trong kênh đến cấu trúc dòng thứ cấp và phân

bố ứng suất tiếp dòng chảy

(4) Nghiên cứu đề xuất một phương án kỹ thuật phù hợp hạn chế tác động của dòng thứ cấp lên bờ sông và đáy sông

3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên mô hình thủy lực mô phỏng đoạn sông cong kênh Thanh

Đa thuộc phường 27, 28 quận Bình Thạnh - quy mô phòng thí nghiệm

Hình 3 Vị trí đoạn Thanh Đa trên

thực tế

Hình 4 Mô hình thủy lực thu nhỏ đoạn Thanh Đa trong phòng thí nghiệm

3.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Tổng quan lý thuyết

- Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến dòng thứ cấp và sạt lở bờ sông

- Tìm hiểu và nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mô hình toán mô phỏng cấu trúc dòng thứ cấp

- Dựa trên các thông tin tìm hiểu được, thiết kế các phương án thí nghiệm và các kịch bản mô phỏng dòng thứ cấp để giải quyết vấn đề

Kết quả cần đạt:

- Tổng quan tình hình nghiên cứu

- Nắm vững cơ sở lý thuyết mô hình toán

- Đề xuất phương án thí nghiệm và các kịch bản mô phỏng

Nội dung 2: Xác định các thông số vật lý từ mô hình vật lý thu nhỏ

- Xây dựng mô hình vật lý thu nhỏ theo tỷ lệ biến dạng 1: 500 theo phương ngang và 1:100 theo phương đứng

- Đo đạc các thông số về địa hình đáy của mô hình thu nhỏ