Đánh giá mức độ ổn định bờ Sông Hương theo lý thuyết ổn định mái dốc

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 12, 2002 ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG HƯƠNG THEO LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Trần Hữu Tuyên, Đỗ Quang Thiên Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Với diện tích lưu vực 2830 km2, chảy ngang qua một đô thị cổ có nhiều di tích lịch sử - văn hoá, sông Hương đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống, tâm tư và tình cảm của người dân. Dòng sông này đã góp phần tạo nên môi trường cảnh quan xanh - sạch - đẹp cho Huế. Vì thế, đảm bảo độ ổn định của bờ sông Hương hiện nay là nhiệm vụ vô cùng cấp bách và mang tính thời sự. Như đã biết, vào những mùa mưa lũ hàng năm gần đây, nhất là vào mùa mưa lũ cuối năm 1998, 1999 và 2000 trên đoạn sông thuộc hạ lưu sông Hương quá trình sạt lở bờ đã xảy ra rất mạnh mẽ. Nguyên nhân gây sạt lở bờ rất đa dạng, nhưng nhìn chung có 2 nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định bờ sông Hương như sau: - Sạt lở bờ về những mùa lũ do xâm thực ngang của dòng chảy. Qui mô và cường độ của hiện tượng này phụ thuộc vào chế độ thuỷ văn - thuỷ lực, lưu lượng bùn cát cũng như hình thái lòng dẫn và cấu trúc địa chất của bờ ... - Trượt trọng lực xảy ra khi hình dạng của lòng sông thay đổi do xâm thực sâu của dòng chảy (do khai thác cát hoặc xây dựng các công trình ven bờ). Quá trình trượt trọng lực chủ yếu phụ thuộc vào trắc diện ngang của bờ, tính chất địa chất công trình của các loại đất đá cấu tạo nên bờ và tác động thuỷ động lực của nước ngầm. Thật ra, không có ranh giới phân định rõ ràng về sự mất ổn định bờ sông do xâm thực ngang của dòng chảy và trượt trọng lực (xâm thực sâu của dòng chảy). Điều khác biệt dễ nhận thấy là cách thức biểu hiện của chúng.Trong khi hiện tượng sạt lở bờ thường xảy ra khi lũ lớn trên các đoạn sông uốn khúc, quanh co thì trượt trọng lực có thể xảy ra vào thời điểm bất kỳ với cường độ mạnh hơn nhiều và mang tính chất của tai biến địa chất. Hiện tượng trượt lỡ đường ở gần Ngã Ba Tuần, trên quốc lộ 49 vào mùa lũ năm 1998 là ví dụ khá điển hình. Trên cơ sở lý thuyết ổn định mái dốc và số liệu của Dự án “ Nghiên cứu, dự báo phòng chống sạt lở bờ sông hệ thống sông miền Trung” do PGS. TSKH Nguyễn Viễn Thọ chủ trì, chúng tôi thử tiến hành đánh giá độ ổn định bờ sông Hương đoạn Tuần - Bao Vinh (T-BV) bằng mô hình SLOPE/W như sau: 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Có thể nói, Coulomb là người đầu tiên đặt nền tảng cho lý thuyết ổn định mái dốc, bởi lẽ vào những năm 70 của thế kỷ 18 chính ông đã viết cuốn sách cơ học đất đầu tiên và đưa ra phương trình nổi tiếng về cường độ chống cắt của đất t = sn ăj + C. Mặt dù ý tưởng do ông đưa ra còn gặp phải nhiều nhược điểm, chẳng hạn ông đã giả thiết mặt trượt là mặt phẳng và chưa đề cập đến áp lực nước lỗ rỗng cũng như ảnh hưởng của các ứng suất. Tuy nhiên, chính điều đó đã hội tụ được sự quan tâm của các nhà khoa học và thúc đẩy lý thuyết ổn định mái dốc dần phát triển và hoàn thiện hơn trong vài thế kỷ qua trong việc đánh giá độ bền của mái dốc tự nhiên hoặc nhân tạo khi thiết kế và thi công các công trình bằng đất như: mái đập, ta luy đường, kênh dẫn, bờ sông... Trong thời đại ngày nay với những tiến bộ và phát triển thần kỳ của khoa học kỹ thuật, việc kiểm toán ổn định đã được chương trình hóa trên máy tính với phần mềm SLOPE/W của hãng GEO- SLOPE Internation Ltd (Canada). Chương trình này được thiết lập để tính toán hệ số an toàn nhỏ nhất theo phương pháp của Canada (GLE - General limit equilibrium). Nhìn chung, phần mềm này đã tổng hợp khá đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân tích ổn định mái dốc, đặc biệt là việc xét đến các tính chất của đất trong điều kiện bảo hòa nước (hệ số bảo hòa khác 1) đã làm tăng độ chính xác của kết quả tính tóan. Đây là chương trình tính toán độ ổn định mái dốc thông dụng nhất hiện nay dựa theo lý thuyết phân mảnh do Fellenius đề xuất vào đầu thế kỷ 19 và cho đến nay không ngừng được hoàn thiện. Chúng được xem như là phương pháp số (Soil mechanic; T.Wu - Boston, 1966) rất có hiệu lực để tính toán ổn định mái dốc vì có thể xét đến tính không đồng nhất của khối đất đá và áp lực nước lổ rỗng tại mọi điểm trong khối đất. Theo lý thuyết phân mảnh, khối đất được phân chia thành các mảnh thẳng đứng và đánh số thứ tự từ 1 đến n. Từ sơ đồ lực tổng quát trên hình 1, cho thấy lực tác động lên một mảnh bất kỳ như sau: - Tải trọng ngoài tác động trên đỉnh mảnh Qi - Trọng lượng mảnh Wi - Lực tương tác của mảnh bên trái và bên phải: Et, Ep. - Lực tiếp tuyến bên trái và bên phải mảnh: Xt,Xp. - Lực pháp tuyến Ni tác động trên đáy mảnh. - Lực tiếp tuyến Si tác động trên mặt trượt. Hình 1: Sơ đồ lực tác động tổng quát vào một mảnh Khối đất ở trạng thái cân bằng bền khi: + Cân bằng tĩnh học: gồm có Cân bằng hình chiếu theo phương ngang :S h = 0 Cân bằng hình chiếu theo phương đứng : S v = 0 Cân bằng momen quay tại M bất kỳ: S M = 0 + Điều kiện bền Morh - Coulomb cho quan hệ N và S trên mặt trượt Si=Nitgji + Ci li (Ci , tgji lần lượt là lực dính và góc ma sát trong của đất; li là chiều dài cung trượt thứ i) Độ ổn định của khối đất được đặc trưng bằng hệ số ổn định K và được định nghĩa là tỷ số giữa các lực chống trượt trên lực gây trượt. Tỷ số này càng lớn thì khối đất có độ ổn định càng cao và hiện tượng trượt càng khó xảy ra. Bài toán đánh giá sự ổn định của mái dốc là bài toán siêu tĩnh. Để đưa về dạng tĩnh định, các nhà khoa học đã đề xuất các phương pháp tính toán dựa trên các giả thiết khác nhau như: bỏ bớt các lực tương tác hoặc giả thiết hướng lực tác dụng không đổi... Sau đây, chúng tôi xin đề cập đến các giả thiết của một số phương pháp tính tóan ổn định mái dốc thông dụng như sau: Phương pháp Fellenius: Phương pháp này ra đời đầu tiên và có cách tính đơn giản nhất với các giả thiết sau: Xem mặt trượt là cung tròn hình trụ có tâm O, bán kính R Bỏ qua các lực tương tác giữa các mảnh: Ei = 0, Xi=0. Điểm đặt N là trung điểm đáy mảnh. Phương pháp Bishop: Xem mặt trượt là cung tròn hình trụ có tâm O, bán kính R. Bỏ qua thành phần thẳng đứng của lực tương tác Xi=0. Điểm đặt phản lực N là trung điểm đáy mảnh . Phương pháp Janbu: Hiện nay, đây là phương pháp hoàn thiện nhất của lý thuyết phân mảnh dựa trên các giả thiết: - Mặt trụ tròn tâm O, bán kính R. - Các điểm đặt của các lực tương tác nằm trên một đường cong trong phạm vị khối trượt được gọi là đường tương tác. - Điểm đặt phản lực N là trung điểm của đáy mảnh. Giải hệ phương trình cân bằng trên với một mái dốc cụ thể, ta sẽ có các đường trượt khác nhau tương ứng là các hệ số ổn định khác nhau. Hệ số ổn định nhỏ nhất (Kmin) đặc trưng cho độ ổn định chung của khối đất. Tuy nhiên Kmin không phải là hệ số để khẳng định xem khối đất có bị trượt hay không mà chỉ đánh giá nguy cơ xảy ra mất ổn định mà thôi. Kmin < 0.8. Khối đất có độ ổn định rất thấp, dể xảy ra trượt. Kmin = 0.8-1.2. Khối đất đang ở trạng thái cân bằng giới hạn. Quá trình trượt sẽ xảy ra khi hình thái hoặc tính chất đất đá bị thay đổi. Kmin > 1.2. Khối đất ở trạng thái cân bằng bền, khó xảy ra trượt. Để xác định Kmin dùng phương pháp lặp có điều chỉnh bậc cao, do đó khối lượng tính toán rất lớn. Tuy nhiên, với sự trợ giúp của chương trình SLOPE/W, việc xác định độ ổn định của mái dốc được đơn giản đi rất nhiều và đạt được độ chính xác cần thiết. Hình 2: Sơ đồ các mặt cắt tính toán 3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG HƯƠNG ĐOẠN TUẦN - BAO VINH 3.1. Cơ sở số liệu: Để đánh giá độ ổn định trượt bờ sông Hương, đoạn Tuần - Bao Vinh, chúng tôi đã sử dụng các số liệu và tài liệu của dự án “Nghiên cứu, dự báo phòng chống sạt lở bờ sông hệ thống sông miền Trung”. Trong đó gồm có: - Số liệu đo đạc địa hình tại 23 mặt cắt ngang của sông Hương (Hình 2). - Tài liệu về cấu trúc địa chất được thu thập ở các công trình lân cận các mặt cắt tính toán. - Tính chất cơ lý của các lớp đất được xác định trong điều kiện bảo hoà nước. 3.2. Các giả thiết tính toán: - Các mặt cắt được lựa chọn để tính toán độ ổn định thuộc các đoạn bờ có nguy cơ xảy ra trượt cao. - Thời điểm tính toán trùng với mùa mưa lũ của khu vực tương ứng với điều kiện bất lợi nhất đối với sự ổn định bờ sông. - Bỏ qua ảnh hưởng của áp lực thuỷ động của dòng ngầm cũng như dòng chảy mặt. - Phương pháp Janbu được lựa chọn để xác định hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin. 3.3. Kết quả tính toán Hệ số ổn định mái dốc Kmin tại các mặt cắt lựa chọn tính toán bằng chương trình SLOPE/W được thể hiện ở hình 3 và bảng 1. Số TT Mặt cắt Vị trí Bờ Khu vực Hệ số ổn định K Thông số hình thái của cung trượt Kh.lượng M (T/m)* Dài L (m) Rộng B (m) 1 101 Trái Bao Vinh 1.207 99.9 22.3 1.8 2 101 Phải Bao Vinh 0.753 18.8 29.7 1.2 3 103 Trái Bao Vinh 1.147 141.0 22.3 7.0 4 103 Phải Bao Vinh 0.748 96.7 16.2 2.2 5 105 Trái Chợ B.Vinh 2.120 60.8 15.5 0.5 6 105 Phải Chợ B.Vinh 0.680 69.1 17.4 3.0 7 109 Trái Chợ B.Vinh 0.964 93.9 14.6 3.6 8 109 Phai Chợ B.Vinh 1.163 99.2 15.9 4.2 9 111 Trái Đập La û 1.306 76.5 15.2 2.1 10 111 Phai Đập La û 9.560 - - - 11 114 Trái Chợ Dinh 1.267 86.0 15.3 1.3 12 114 Phải Chợ Dinh 1.140 75.0 15.8 0.8 13 119 Trái Đông Ba 1.110 74.5 15.0 3.2 14 201 Trái Quốc Học 0.952 60.8 9.84 1.5 15 203 Trái Trạm TV 0.957 53.1 12.3 1.1 16 205 Trái CTGCT** 0.942 33.7 3.83 2.5 17 205 Phải CTGCT** 0.715 91.5 9.45 1.8 18 207 Trái Văn Thánh 1.611 42.2 7.83 1.3 19 207 Phải Văn Thánh 1.316 47.3 7.23 1.5 20 209 Trái Chợ HL*** 1.599 13.3 7.08 0.5 21 209 Phải Chợ HL*** 0.757 91.4 4.63 1.2 22 212 Trái Xước Dũ 0.626 96.1 5.41 1.8 23 215 Trái Thuỷ Biều 0.911 78.9 7.89 1.8 24 215 Phải Thuỷ Biều 0.863 47.9 9.04 1.1 25 216 Phải Vạn Niên 0.829 93.0 20.7 2.0 26 219 Phải Hòn Chén 0.626 31.6 8.06 2.3 27 221 Phải Gà Lôi 0.823 132.0 18.6 5.0 28 221 Trái Gà Lôi 3.469 - - - 29 223 Phải Tuần 1.220 76.0 13.1 1.0 Bảng 1: Kết quả tính tóan hệ số ổn định nhỏ nhất của mái dốc Kmin * Trọng lượng đất được được tính cho 1m dài của khối trượt ( Tấn/m) * * Công ty Giống - cây Trồng Thừa Thiên Huế ; ** *Chợ Hương Long 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ các kết quả tính toán ổn định bờ sông Hương trên các mặt cắt ngang, chúng tôi nhận thấy rằng đa số hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin thay đổi từ 0.8 đến 1.2, nghĩa là phần lớn bờ sông Hương đang ở trạng thái cân bằng giới hạn, rất dể bị phá vở và xảy ra hiện tượng trượt bờ sông. Vì thế, chúng tôi xin có những kết luận sau: - Khả năng xảy ra trượt lớn nhất trên các các đoạn bờ thuộc khu vực: Tuần, Bao Vinh và Thiên Mụ. - Tuy bề rộng đỉnh trượt (tính từ đường mép nước đến bờ) nhỏ thay đổi từ 0.5m - 5 mét, nhưng nhìn chung trọng lượng các khối trượt nguy hiểm dự đoán khá lớn. - Các kết quả tính toán trên đã loại trừ ảnh hưởng của áp lực thuỷ động của nước ngầm và dòng chảy mặt. Nếu các nhân tố trên tác động công hưởng với nhau thì độ ổn định của bờ sông Hương giảm đi rất nhiều. Cho nên, để đảm bảo độ ổn định của bờ sông Hương, chúng tôi xin kiến nghị: - Hạn chế hoạt động khai thác cát, sỏi trên sông Hương đoạn Tuần - Bao Vinh. Đặc biệt các đoạn có độ ổn định thấp như đã đề cập ở trên. - Không tiến hành xây dựng các công trình có tải trọng lớn lận cận bờ sông . Hình 3: Mặt cắt 221- bờ phải (SLOPE/W software) TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Quí An, Nguyễn Công Mẫn. Giáo trình cơ học đất. Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp. Hà Nội (1970) Phan Trường Giang. Nâng cao hiệu lực của phương pháp phân mảnh tính ổn định đập đất bằng lý thuyết phân tích hệ thống. Luận án Thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật. Trường Đại học Thuỷ lợi . Hà Nội (2000) D.F. Fredlund. The analysis of slope. Short course. Hà Nội (1997). R.w. whilow. Cơ học đất . Nxb. Giáo dục (1996) GEO-SLOPE. Slope/ W for slope stability analysis. Canada.(1999) STABILITY ANALYSIS FOR HUONG RIVERBANK BY SLOPE STABILITY THEORY Tran Huu Tuyen, Do Quang Thien College of Sciences, Hue University SUMMARY The slope stability theory has occurred in 1920's. It is used to analyse slope stabilization of: dam, road, and canal bank of. In this article, the author has analysed the stability of Tuan - Bao Vinh section of Huong riverbank using Slope/W software. The research involved 29 slopes and base on Hue universities project documents to find minimal safety coefficients and stability of Huong river bank. In this caculating - section, Kmin coefficient: 0.8-1.2. Bank of Huong River occurred within the limit of equilibrium state and landslide process would happen if the balanced factors are changed. The anthors suggest a reduction for sand exploitation, construction in Bao Vinh, Tuan, Thien Mu section of Huong River .