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<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH BỜ SÔNG HƯƠNG <br /> THEO LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC<br /> Trần Hữu Tuyên, Đỗ Quang Thiên<br />             Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế<br />  <br /> <br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Với diện tích lưu vực 2830 km2, chảy ngang qua một đô thị cổ có nhiều di tích  <br /> lịch sử ­ văn hoá, sông Hương đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống, tâm tư <br /> và tình cảm của người dân. Dòng sông này đã góp phần tạo nên môi trường cảnh <br /> quan xanh ­ sạch ­ đẹp cho Huế. Vì thế, đảm bảo độ   ổn định của bờ  sông Hương <br /> hiện nay là nhiệm vụ vô cùng cấp bách và mang tính thời sự.<br /> Như đã biết, vào những mùa mưa lũ hàng năm gần đây, nhất là vào mùa mưa lũ <br /> cuối năm 1998, 1999 và 2000 trên đoạn sông thuộc hạ lưu sông Hương quá trình sạt <br /> lở  bờ  đã xảy ra rất mạnh mẽ. Nguyên nhân gây sạt lở  bờ  rất đa dạng, nhưng nhìn <br /> chung có 2 nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định bờ sông Hương như sau: <br /> ­ Sạt lở  bờ  về  những mùa lũ do xâm thực ngang của dòng chảy. Qui mô và  <br /> cường độ của hiện tượng này phụ thuộc vào chế  độ  thuỷ  văn ­ thuỷ  lực, lưu lượng  <br /> bùn cát cũng như hình thái lòng dẫn và cấu trúc địa chất của bờ ...<br /> ­ Trượt trọng lực xảy ra khi hình dạng của lòng sông thay đổi do xâm thực sâu  <br /> của dòng chảy (do khai thác cát hoặc xây dựng các công trình ven bờ). Quá trình trượt  <br /> trọng lực chủ  yếu phụ  thuộc vào trắc diện ngang của bờ, tính chất địa chất công  <br /> trình của các loại đất đá cấu tạo nên bờ và tác động thuỷ động lực của nước ngầm.<br /> Thật ra, không có ranh giới phân định rõ ràng về  sự  mất  ổn định bờ  sông do  <br /> xâm thực ngang của dòng chảy và trượt trọng lực (xâm thực sâu của dòng chảy).  <br /> Điều khác biệt dễ nhận thấy là cách thức biểu hiện của chúng.Trong khi hiện tượng  <br /> sạt lở  bờ  thường xảy ra khi lũ lớn trên các đoạn sông uốn khúc, quanh co thì trượt  <br /> trọng lực có thể  xảy ra vào thời điểm bất kỳ    với cường độ  mạnh hơn nhiều và <br /> mang tính chất của tai biến địa chất. Hiện tượng trượt lỡ  đường  ở  gần Ngã Ba  <br /> Tuần, trên quốc lộ 49 vào mùa lũ năm 1998 là ví dụ khá điển hình.<br /> Trên cơ  sở  lý thuyết  ổn định mái dốc và số  liệu của Dự  án “ Nghiên cứu, dự <br /> báo phòng chống sạt lở bờ sông hệ thống sông miền Trung” do PGS. TSKH Nguyễn  <br /> <br /> <br /> 39<br /> Viễn Thọ chủ trì, chúng tôi thử tiến hành đánh giá độ  ổn định bờ sông Hương đoạn <br /> Tuần ­ Bao Vinh (T­BV) bằng mô hình SLOPE/W như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 40<br />  2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT<br /> Có thể nói, Coulomb là người đầu tiên đặt nền tảng cho lý thuyết ổn định mái <br /> dốc, bởi lẽ vào những năm 70 của thế kỷ 18 chính ông đã viết cuốn sách cơ học đất  <br /> đầu tiên và đưa ra phương trình nổi tiếng về cường độ chống cắt của đất   =  n ă  + <br /> C. Mặt dù ý tưởng do ông đưa ra còn gặp phải nhiều nhược điểm, chẳng hạn ông đã <br /> giả thiết mặt trượt là mặt phẳng và chưa đề cập đến áp lực nước lỗ rỗng cũng như <br /> ảnh hưởng của các  ứng suất. Tuy nhiên, chính điều đó đã hội tụ  được sự  quan tâm <br /> của các nhà khoa học và thúc đẩy lý thuyết  ổn định mái dốc dần phát triển và hoàn  <br /> thiện hơn trong vài thế kỷ qua trong việc đánh giá độ bền của mái dốc tự nhiên hoặc  <br /> nhân tạo khi thiết kế và thi công các công trình bằng đất  như: mái đập, ta luy đường,  <br /> kênh dẫn, bờ sông...<br />  Trong thời đại ngày nay với những tiến bộ và phát triển thần kỳ của khoa học  <br /> kỹ  thuật, việc kiểm toán  ổn định đã được chương trình hóa trên máy tính với phần  <br /> mềm SLOPE/W của hãng GEO­ SLOPE Internation Ltd (Canada). Chương trình này <br /> được thiết lập để  tính toán hệ  số  an toàn nhỏ  nhất theo phương pháp của Canada <br /> (GLE ­ General limit equilibrium). Nhìn chung, phần mềm này đã tổng hợp khá đầy  <br /> đủ các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân tích ổn định mái dốc, đặc biệt là việc xét đến  <br /> các tính chất của đất trong điều kiện bảo hòa nước (hệ  số  bảo hòa khác 1) đã làm  <br /> tăng độ  chính xác của kết quả  tính tóan. Đây là chương trình tính toán độ   ổn định  <br /> mái dốc thông dụng nhất hiện nay dựa theo lý thuyết phân mảnh do Fellenius đề <br /> xuất vào đầu thế  kỷ  19 và cho đến nay không ngừng được hoàn thiện. Chúng được <br /> xem như là phương pháp số (Soil mechanic; T.Wu ­ Boston, 1966) rất có hiệu lực để <br /> tính toán ổn định mái dốc vì có thể xét đến tính không đồng nhất của khối đất đá và  <br /> áp lực nước lổ rỗng tại mọi điểm trong khối đất.<br /> Theo lý thuyết phân mảnh, khối đất   được phân chia thành các mảnh thẳng  <br /> đứng và đánh số thứ tự từ 1 đến n. Từ sơ đồ  lực tổng quát trên hình 1, cho thấy lực <br /> tác động lên một mảnh bất kỳ như sau: <br /> ­ Tải trọng ngoài tác động trên đỉnh mảnh Qi <br /> ­ Trọng lượng mảnh Wi<br /> ­ Lực tương tác của mảnh bên trái và  bên phải: Et, Ep.<br /> ­ Lực tiếp tuyến bên trái và bên phải mảnh: Xt,Xp.<br /> ­ Lực pháp tuyến Ni tác động trên đáy mảnh.<br /> ­ Lực tiếp tuyến Si tác động trên mặt trượt.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 41<br />               <br /> Hình 1:  Sơ đồ lực tác động tổng quát vào một mảnh<br /> Khối đất ở trạng thái cân bằng bền khi:<br /> + Cân bằng tĩnh học: gồm có<br /> ­ Cân bằng hình chiếu theo phương ngang :  h = 0<br /> ­ Cân bằng hình chiếu theo phương đứng :   v  = 0<br /> ­ Cân bằng momen quay tại  M bất kỳ:   M = 0<br /> + Điều kiện bền Morh ­ Coulomb cho quan hệ N và S trên mặt trượt<br />                     Si=Nitg i + Ci li <br /> (Ci , tg i lần lượt là lực dính và góc ma sát trong của đất; li là chiều dài cung  <br /> trượt thứ i)<br /> Độ   ổn định của khối đất được đặc trưng bằng hệ số   ổn định K và được định <br /> nghĩa là tỷ số giữa các lực chống trượt trên lực gây trượt. Tỷ số này càng lớn thì khối  <br /> đất có độ ổn định càng cao và hiện tượng trượt càng khó xảy ra.<br /> Bài toán đánh giá sự ổn định của mái dốc là bài toán siêu tĩnh. Để đưa về dạng  <br /> tĩnh định, các nhà khoa học đã đề  xuất các phương pháp tính toán dựa trên các giả <br /> thiết khác nhau như: bỏ  bớt các lực tương tác hoặc giả  thiết hướng lực tác dụng <br /> không đổi... Sau đây, chúng tôi xin đề cập đến các giả thiết của một số phương pháp  <br /> tính tóan ổn định mái dốc thông dụng như sau: <br /> Phương pháp Fellenius: <br /> Phương pháp này ra đời đầu tiên và có cách tính đơn giản nhất với các giả thiết  <br /> sau:<br /> ­ Xem mặt trượt là cung tròn hình trụ có tâm O, bán kính R<br /> ­ Bỏ qua các lực tương tác giữa các mảnh: Ei = 0, Xi=0.<br /> ­ Điểm đặt N là trung điểm đáy mảnh.<br /> Phương pháp Bishop:<br /> ­ Xem mặt trượt là cung tròn hình trụ có tâm O, bán kính R.<br /> ­ Bỏ qua thành phần thẳng đứng của lực tương tác Xi=0.<br /> ­ Điểm đặt phản lực N là trung điểm đáy mảnh .<br /> Phương pháp Janbu: <br /> Hiện nay, đây là phương pháp hoàn thiện nhất của lý thuyết phân mảnh dựa <br /> trên các giả thiết:<br /> ­ Mặt trụ tròn tâm O, bán kính R.<br /> ­ Các điểm đặt của các lực tương tác nằm trên một đường cong trong phạm vị <br /> khối trượt được gọi là đường tương tác.<br /> <br /> 42<br />  ­ Điểm đặt phản lực N là trung điểm của đáy mảnh.<br /> Giải   hệ   phương   trình   cân <br /> bằng trên với một mái dốc cụ  thể,  <br /> ta sẽ có các đường trượt khác nhau <br /> tương   ứng   là   các   hệ   số   ổn   định <br /> khác nhau. Hệ số ổn định nhỏ nhất <br /> (Kmin)   đặc   trưng   cho   độ   ổn   định <br /> chung của khối đất. Tuy nhiên Kmin <br /> không phải là hệ số để khẳng định <br /> xem khối đất có bị trượt hay không <br /> mà chỉ đánh giá nguy cơ xảy ra mất <br /> ổn định mà thôi. <br /> ­ Kmin      1.2.   Khối   đất   ở <br /> trạng thái cân bằng bền, khó xảy <br /> ra trượt.<br /> Để   xác   định   Kmin  dùng <br /> phương   pháp   lặp   có   điều   chỉnh <br /> bậc cao, do đó khối lượng tính toán rất lớn. Tuy nhiên, với sự  trợ  giúp của chương  <br /> trình SLOPE/W, việc    xác định độ ổn định của mái dốc được đơn giản đi rất nhiều  <br /> và đạt được độ chính xác cần thiết. <br /> Hình 2: Sơ đồ các mặt cắt tính toán<br /> <br /> 3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN  ĐỊNH BỜ SÔNG HƯƠNG ĐOẠN TUẦN ­ BAO <br /> VINH<br /> 3.1. Cơ sở số liệu:<br /> Để đánh giá độ ổn định trượt bờ sông Hương, đoạn Tuần ­ Bao Vinh, chúng tôi  <br /> đã sử dụng các số liệu và tài liệu của dự án “Nghiên cứu, dự báo phòng chống sạt lở <br /> bờ sông hệ thống sông miền Trung”. Trong đó gồm có:<br /> ­ Số liệu đo đạc địa hình tại 23 mặt cắt ngang của sông Hương (Hình 2). <br /> ­ Tài liệu về cấu trúc địa chất được thu thập  ở  các công trình lân cận các mặt <br /> cắt tính toán. <br /> ­ Tính chất cơ lý của các lớp đất được xác định trong điều kiện bảo hoà nước.<br /> 3.2. Các giả thiết tính toán:<br /> 43<br />  ­ Các mặt cắt được lựa chọn để  tính toán độ   ổn định thuộc các đoạn bờ  có  <br /> nguy cơ xảy ra trượt cao.<br /> ­ Thời điểm tính toán trùng với mùa mưa lũ của khu vực tương  ứng với điều <br /> kiện bất lợi nhất đối với sự ổn định bờ sông.<br /> ­ Bỏ qua ảnh hưởng của áp lực thuỷ động của dòng ngầm cũng như dòng chảy  <br /> mặt.<br /> ­ Phương pháp Janbu được lựa chọn để xác định hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin.<br /> 3.3. Kết quả tính toán <br /> Hệ  số   ổn định mái dốc Kmin tại các mặt cắt lựa chọn tính toán bằng chương <br /> trình SLOPE/W được thể hiện ở hình 3 và bảng 1.<br /> Số Mặt Vị trí Khu vực Hệ số Thông số hình thái của cung trượt <br /> TT cắt Bờ ổn định <br /> Kh.lượng M  Dài L (m) Rộng B (m)<br /> K<br /> 1 101 Trái Bao Vinh 1.207 (T/m)*<br /> 99.9 22.3 1.8<br /> 2 101 Phải Bao Vinh 0.753 18.8 29.7 1.2<br /> 3 103 Trái Bao Vinh 1.147 141.0 22.3 7.0<br /> 4 103 Phải Bao Vinh 0.748 96.7 16.2 2.2<br /> 5 105 Trái Chợ B.Vinh 2.120 60.8 15.5 0.5<br /> 6 105 Phải Chợ B.Vinh 0.680 69.1 17.4 3.0<br /> 7 109 Trái Chợ B.Vinh 0.964 93.9 14.6 3.6<br /> 8 109 Phai Chợ B.Vinh 1.163 99.2 15.9 4.2<br /> 9 111 Trái Đập La û 1.306 76.5 15.2 2.1<br /> 10 111 Phai Đập La û 9.560 ­ ­ ­<br /> 11 114 Trái Chợ Dinh 1.267 86.0 15.3 1.3<br /> 12 114 Phải Chợ Dinh 1.140 75.0 15.8 0.8<br /> 13 119 Trái Đông Ba 1.110 74.5 15.0 3.2<br /> 14 201 Trái Quốc Học 0.952 60.8 9.84 1.5<br /> 15 203 Trái Trạm TV 0.957 53.1 12.3 1.1<br /> 16 205 Trái CTGCT** 0.942 33.7 3.83 2.5<br /> 17 205 Phải CTGCT** 0.715 91.5 9.45 1.8<br /> 18 207 Trái Văn Thánh 1.611 42.2 7.83 1.3<br /> 19 207  Phải Văn Thánh 1.316 47.3 7.23 1.5<br /> 20 209 Trái Chợ HL*** 1.599 13.3 7.08 0.5<br /> 21 209 Phải Chợ HL*** 0.757 91.4 4.63 1.2<br /> 22 212 Trái Xước Dũ 0.626 96.1 5.41 1.8<br /> 23 215 Trái Thuỷ Biều 0.911 78.9 7.89 1.8<br /> 24 215 Phải Thuỷ Biều 0.863 47.9 9.04 1.1<br /> 25 216 Phải Vạn Niên 0.829 93.0 20.7 2.0<br /> 26 219 Phải Hòn Chén 0.626 31.6 8.06 2.3<br /> 27 221 Phải Gà Lôi 0.823 132.0 18.6 5.0<br /> 28 221 Trái Gà Lôi 3.469 ­ ­ ­<br /> <br /> 44<br />  29 223   Phải Tuần 1.220 76.0 13.1 1.0<br /> <br /> Bảng 1: Kết quả tính tóan hệ số ổn định nhỏ nhất của mái dốc Kmin<br /> * Trọng lượng  đất được  được tính cho 1m dài của khối trượt ( Tấn/m)<br /> * * Công ty Giống ­ cây Trồng Thừa Thiên  Huế ;  ** *Chợ Hương Long<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Từ các kết quả tính toán ổn định bờ sông Hương trên các mặt cắt ngang, chúng <br /> tôi nhận thấy rằng đa số hệ số ổn định nhỏ nhất Kmin thay đổi từ 0.8 đến 1.2, nghĩa là <br /> phần lớn bờ  sông Hương đang  ở  trạng thái cân bằng giới hạn, rất dể  bị  phá vở  và  <br /> xảy ra hiện tượng trượt bờ sông. Vì thế, chúng tôi xin có những kết luận sau:<br /> ­ Khả  năng xảy ra trượt lớn nhất trên các các đoạn bờ  thuộc khu vực: Tuần,  <br /> Bao Vinh và Thiên Mụ. <br /> ­ Tuy bề  rộng đỉnh trượt (tính từ  đường mép nước đến bờ) nhỏ  thay đổi từ <br /> 0.5m ­ 5 mét, nhưng nhìn chung trọng lượng các khối trượt  nguy hiểm dự đoán  khá <br /> lớn.              <br /> <br /> 13 ­ Các kết quả tính toán trên <br /> 12<br /> 0.930 đã   loại   trừ   ảnh   hưởng   của   áp <br /> 11<br /> lực   thuỷ   động   của   nước   ngầm <br /> 10<br /> <br /> <br /> a 9<br /> và dòng chảy mặt. Nếu các nhân <br /> 8 tố  trên tác động công hưởng với <br /> 7<br /> nhau thì độ   ổn định của bờ  sông <br /> 6<br /> Hương giảm đi rất nhiều.<br /> 5<br /> <br /> 4 Cho  nên,   để  đảm  bảo  độ <br /> 3<br /> ổn   định   của   bờ   sông   Hương, <br /> chúng tôi xin kiến nghị:<br /> 2<br /> <br /> 1<br /> <br /> 0 ­ Hạn chế  hoạt động khai <br /> -1<br /> thác   cát,   sỏi   trên   sông   Hương <br /> -2<br /> <br /> -3<br /> đoạn Tuần ­ Bao Vinh. Đặc biệt <br /> -4 các đoạn có độ ổn định thấp như <br /> -5<br /> 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br /> đã đề cập ở trên.<br /> 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44<br /> <br /> Khoang cach (m)<br /> ­   Không   tiến   hành   xây <br /> dựng các công trình có tải trọng lớn lận cận bờ sông .<br />             Hình 3: Mặt cắt 221­ bờ phải  (SLOPE/W software)                 <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Lê Quí An, Nguyễn Công Mẫn. Giáo trình cơ học đất. Nxb Đại học và Trung học <br /> chuyên nghiệp. Hà Nội (1970)<br /> <br /> <br /> 45<br /> 2. Phan Trường Giang. Nâng cao hiệu lực của phương pháp phân mảnh tính ổn định  <br /> đập đất bằng lý thuyết phân tích hệ  thống. Luận án Thạc sĩ Khoa học Kỹ  thuật.  <br /> Trường Đại học Thuỷ lợi . Hà Nội (2000)<br /> 3. D.F. Fredlund. The analysis of slope. Short course. Hà Nội (1997).<br /> 4. R.w. whilow. Cơ học đất . Nxb. Giáo dục (1996)<br /> 5. GEO­SLOPE. Slope/ W for slope stability analysis. Canada.(1999)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 46<br />  STABILITY ANALYSIS FOR HUONG  RIVERBANK <br />  BY SLOPE STABILITY THEORY<br />      Tran Huu Tuyen, Do Quang Thien<br /> College of Sciences, Hue University<br /> <br /> <br /> SUMMARY<br />   The slope stability theory has occurred in 1920's. It is used to analyse slope  <br /> stabilization of: dam, road, and canal bank of. In this article, the author has analysed  <br /> the stability of Tuan ­ Bao Vinh section of Huong riverbank using Slope/W software.  <br /> The research involved 29 slopes and base on   Hue universities project documents to  <br /> find minimal safety coefficients and stability of Huong river bank.<br /> ­ In this caculating ­ section, Kmin  coefficient: 0.8­1.2. Bank of Huong River  <br /> occurred within the limit of equilibrium state and landslide process would happen if the  <br /> balanced factors are changed.<br /> ­ The anthors suggest a reduction for sand exploitation, construction  in Bao  <br /> Vinh, Tuan, Thien Mu  section  of Huong River .<br />    <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 47<br />