Đang tải... (xem toàn văn)
TÓM TẮT i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH ẢNH iii PHẦN MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề 1 Mục tiêu nghiên cứu 1 Nội dung nghiên cứu 1 Phương pháp nghiên cứu 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẠT LỞ BỜ SÔNG 3 1.1. Sạt lở bờ sông 3 1.4. Tình hình nghiên cứu thế giới 10 1.5. Tình hình nghiên cứu trong nước 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SẠT LỞ BỜ SÔNG 13 2.1 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát 16 2.2 Hệ số an toàn cân bằng momen 17 2.3 Hệ số cân bằng lực 17 2.4 Lực pháp tuyến tại đáy cột đất 17 2.5 Lực giữa các cột đất 18 2.6 Các bước Xác định hệ số an toàn 19 CHƯƠNG 3: KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 22 3.1 Thiết kế mô hình toán 22 3.2 Bài toán đơn giản 23 3.3 Kết quả tính toán 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 25 Kết luận 25 Hướng phát triển 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26
Đề tài này nghiên cứu và xây dựng mô hình toán tính sạt lở bờ sông theo dạng trượt cong. Cơ sở lý thuyết của mô hình dựa vào các phương trình phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLE) để tính hệ số an toàn FS. Hệ số này được dùng để đánh giá tính ổn định của bờ sông, khi FS < 1 bờ sông có khả năng sạt lở cao. Mô hình được kiểm định bằng bài toán đơn giản cho một mặt cắt ngang thông qua công cụ Slope/W của phần mềm Geo – Slope. Nghiên cứu này là tiền đề để xây dựng mô hình sạt lở bờ theo dạng trượt cong dưới tác động của động lực học dòng chảy. 1 2 3 Trong những năm gần đây, hiện tượng sạt lở đang diễn ra phổ biến trên toàn dãi bờ biển, cửa sông nước ta và gây ra những thiệt hại không hề nhỏ về kinh tế - xã hội. Ở nước ta, sạt lở là dạng thiên tai nặng nề, diễn biến hết sức phức tạp gây thiệt hại lớn về người và của, để lại hậy quả lâu dài về kinh tế - xã hội và môi trường sinh thái. Để hạn chế thiệt hại do hiện tượng sạt lở gây ra, cần phải xây dựng một số công trình chính trị với qui mô lớn hoặc dự báo trước những diễn biến gây sạt lở để từ đó đề ra giải pháp phòng tránh trước khi sạt lở. Trong khi việc xây dựng công trình chính trị phải bỏ ra nhiều công sức và tiền của thì giải pháp dự báo trước lại ít tốn kém nhưng lại khá hiệu quả. Do vậy, nghiên cứu dự báo sạt lở bờ sông là một lựa chon tối ưu nhằm giảm thiểu các tác hại do thiên tai gây ra và dự báo các nguy hiểm xảy ra trong tương lai. Với tính chất phức tạp của hiện tượng sạt lở, ngoài phương pháp đo đạc hiện trường và công thức thực nghiệm, các công trình nghiên cứu thường sử dụng hai phương pháp là dùng mô hình vật lý và mô hình toán số. Mô hình vật lý có khả năng mô phỏng những trường hợp phức tạp, tuy nhiên điều kiện sử dụng đòi hỏi phải có phòng thí nghiệm với các thiết bị đo chính xác rất tốn kém nên phương pháp này chỉ có thể thực hiện ở các viện nghiên cứu và trường đại học lớn. Trong khi đó phương pháp thiết lập và áp dụng các mô hình toán số cũng có khả năng mô phỏng với độ chính xác cao và chi phí thấp. Do đó, phương pháp thiết lập và áp dụng các mô hình toán số được sử dụng rộng rãi hiện nay. Đề tài này được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu cơ chế sạt lở bờ sông trên mặt phẳng cong và xây dựng mô hình toán tính sạt lở bờ sông. !" - Rèn luyện khả năng nghiên cứu khoa học. 4 - Xác định cơ chế trượt trên mặt phẳng cong. - Xây dựng mô hình toán tính sạt lở bờ trên mặt phẳng cong. #$ !" - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình tính toán sạt lở bờ trên mặt phẳng cong. - Xây dựng sơ đồ giải thuật tính toán sạt lở bờ trên mặt phẳng cong. - Lập trình xây dựng mô hình toán tính toán sạt lở bờ trên mặt phẳng cong. - Kiểm định lại mô hình tính sạt lở bờ trên mặt phẳng cong. !%& '!(' !" - Phương pháp tổng hợp, thống kê và phân tích tài liệu: Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu là phương pháp được sử dụng ở những bước đầu tiên của nghiên cứu khoa học. Đây là bước khái quát chung về nghiên cứu, nguồn tài liệu thu thập sẽ là cơ sở giúp cho người thực hiện xác định những định hướng nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu và các phương pháp nghiên cứu phù hợp. - Phương pháp lập trình: sử dụng ngôn ngữ lập trình Csharp (C#) để lập trình mô hình toán tính sạt lở bờ sông. - Phương pháp kế thừa: kế thừa các tài liệu, tư liệu, công trình nghiên cứu khoa học đã có trước đó liên quan đến vấn đề nghiên cứu. ) !*+,!-+!./!01 Đề tài xây dựng mô hình toán tính khả năng và mức độ sạt lở bờ sông, kết quả tính toán làm cơ sở cho các nhà quản lý đưa ra các biện pháp phòng chống, khắc phục giảm thiểu thiệt hại do sạt lở bờ sông gây ra. 5 234567489:;<=>;?4 Sạt lở bờ sông Sạt lở bờ là sự đan xen giữa hiện tượng dịch chuyển trượt, hiện tượng sụp đổ của đất. Hiện tượng sạt lở thường được báo trước bằng các vết nứt sụt ăn sâu và đất liền và kéo dài theo bờ sông, bờ biển. Diễn biến phá hoại của sạt lở nhanh và đột ngột. Sạt lở bờ thường có xu hướng tái diễn nhiều năm, phạm vi ảnh hưởng rộng. Đáy sông bị xói lở làm chiều cao bờ sông tăng lên và sự xói lở gần chân bờ làm cho bờ dốc hơn, cả hai quá trình này làm cho bờ sông trở nên mất ổn định. Một khi tiêu chuẩn mất ổn định bị vượt qua giới hạn kết dính hay chống trượt thì khối bờ sông bị trượt, sạt và đỉnh bờ lùi vào đất liền. Sạt lở bờ xảy ra bởi một loạt các quy trình và bị chi phối bởi đặc điểm, đặc tính của bờ và lực, tác dụng thủy lực hoặc của trọng lực. Các quá trình thủy lực ngay tại bề mặt hoặc bên dưới bề mặt nước, cuốn đi trầm tích và góp phần trực tiếp gây ra xói lở vật liệu bờ. Các quá trình trượt khối (do trọng lực), bao gồm các kiểu trượt thẳng và trượt xoay tách trầm tích kết dính với bờ và tạo trầm tích vận chuyển trong lưu vực sông. Ngoài ra, các yếu tố xói mòn bề mặt, áp suất nước lỗ hổng, xói ngầm đất và nứt đất có thể ảnh hưởng đến sạt lở bờ. Các tác dụng của thủy lực và trọng lực tác dụng lên vật liệu bờ cũng như cột nước của bờ. Vận tốc dòng chảy, gradient vận tốc, ranh giới ứng suất trượt, hoạt động núi lửa ở khu vực gần bờ sông, các xoáy nước và các cơ chế khác của dòng chảy ảnh hưởng lên tỉ lệ sạt lở tổng thể của bờ. 6 1.1. ($@ A@BCDE 1.1.1. F%GH I;!+BB-JAB$KAL Hình 1.1: Cơ chế sạt lở bờ dạng trượt nông. Ở Hình 1.1 là sạt lở dạng trượt nông còn được gọi là trượt theo dạng mặt phẳng. Với dạng trượt này thì các lớp vật liệu di chuyển dọc theo mặt phẳng bề mặt của bờ dưới tác dụng của trọng. Đây là kiểu điển hình cho loại đất với độ kết dính thấp, thường xảy ra khi góc nghiêng của bờ lớn hơn góc ma sát trong của vật liệu bờ. Kiểu trượt nông này thường xảy ra ở những bờ có độ dốc trung bình. Trượt nông thường xảy sau khi các kiểu trượt xoay (rotaiton slides) hoặc trượt phiến (slab slides) xảy ra (Thorne, 1998). Các kiểu sạt lở này làm mất đi một lượng lớn trầm tích góc của bờ ở những vị trí mà dễ dàng bị cuốn đi bởi tác động của dòng chảy thông thường (Environment Agency, 1999). [9] 7 1.1.2. F%GM-+NIO-+-+BP+BFKAL Hình 1.2: Cơ chế dạng trượt xoay. Trượt xoay là sự di chuyển của vật liệu nằm sâu ở dưới theo cả hai chiều: xuống dưới và hướng ra ngoài dọc theo mặt trượt cong, thường phổ biến ở bờ có vật liệu kết dính và độ dốc nhỏ hơn 60 0 . Sau khi trượt phần đỉnh của khối trượt thường nghiêng hướng về phía bờ (xem Hình 1.2). Chúng thường gắn liền với những vết nứt thẳng đứng bên trong cấu trúc của bờ. Trượt xoay thường có khối lượng lớn hơn trượt phiến (Dapporto và cộng sự, 2003) và đây cũng thường là kết quả của việc xói mòn chân bờ hoặc/và áp suất nước trong lỗ rỗng cao trong vật liệu bờ. Thường thường trượt xoay xảy ra trong suốt quá trình rút nhanh chóng của lũ. [9] 1.1.3. ;@BC'!QI;B+DP+BFKL Đây là kiểu trượt mà khối vật liệu bờ sẽ có xu hướng lật xuống dòng sông (xem Hình 1.3). Chúng liên quan đến độ dốc, độ cao bờ thấp, sự gắn kết các hạt mịn của vật liệu bờ và thường xảy ra trong điều kiện dòng chảy thấp. Sạt lở phiến là kết quả kết hợp của xói lở ở chân bờ, áp lực nước lỗ rỗng trong vật liệu bờ và sự phát triển của các vết nứt ở trên bờ. Dưới những điều này thì sự ổn định của bờ phụ 8 thuộc vào sức bền kéo của vật liệu bờ (Environment Agency, 1999). Sự bồi tụ của các khối đất bị sụp có thể tạm thời bảo vệ được phần chân bờ khỏi xói lở trong thời gian ngắn. Hình 1.3: Cơ chế sạt lở dạng phiến. Khả năng xảy ra trượt phiến đặc trưng bởi các vết nứt hình thành cách đỉnh bờ sông một đoạn nhỏ. Sự khô hạn và ứng suất căng làm cho các khe nứt nhanh chóng được hình thành. Các khe nứt hình thành có thể làm nước từ dòng chảy bề mặt hoặc dòng chảy dưới bề mặt xâm nhập vào bờ, làm tăng áp lực thấm và thường làm giảm tính ổn định của bờ, tác động và làm các khối vật liệu bờ trượt xuống và hướng ra phía lòng sông như kiểu sạt lở khối (Simons và Li, 1982). [9] 1.1.4. ;'DE$@ !/RQ!I+BKKFP+BFKL Đây là kiểu sụp đổ của của khối vật liệu nhô ra bên ngoài phía dòng chảy, thường xảy ra sau khi chân bờ bị khoét sâu vào dưới tác động của dòng chảy (xem Hình 1.4). Chúng có xu hướng xảy ra nơi các vật liệu thô và mịn trộn lẫn với nhau, và xảy ra trong điều kiện dòng chảy thấp. 9 Hình 1.4: Cơ chế sụp bờ dạng hàm ếch. Ở nhiều nơi, rễ thực vật của cây giúp tăng độ kết dính vật liệu của khối đất nhô ra. Những khối vật liệu tạo ra do quá trình sạt lở này có thể bị phá vỡ, tác động và bị cuốn đi bởi các tác động thủy lực của dòng chảy. Nhưng khi các khối đất sạt lở này đang nằm lại ở dưới chân thì chúng có tác dụng bảo vệ bờ khỏi sự xói mòn. [9] 1.1.5. S !-/ !TIUKV+F!W-JL Loại sạt lở này xảy ra ở các vị trí mà bờ yếu, do việc tăng khối lượng và sự giảm sức bền vật liệu bờ đến một thời điểm mà vật liệu bờ chảy lỏng ra thành dòng và có độ nhớt cao. Loại sạt lở này xảy ra ở bờ có góc dốc thấp và làm dòng vật liệu chảy xuống và tạo thành các thùy ở phần chân của bờ. Các loại vật liệu này rất yếu và dễ bị loại bỏ thậm chí là dòng chảy nhỏ (Thorne, 1998) (xem Hình 1.5). Dòng hoàng thổ xảy ra ở các bờ có độ thấm lớn và thoát nước kém. 10 [...]... không mô phỏng tiến trình sạt lở khi kết hợp giữa dòng chảy và độ ổn định bờ Còn có rất nhiều phương pháp tính toán dự báo nổi tiếng như phương pháp nghiên cứu của Hickin & Nanson (1984) dự báo sạt lở 189 đoạn sông cong ở Canada, hay dự báo sạt lở dựa theo diễn biến đường bờ từ ảnh viễn thám của tác giả Sarker (1999) trên các sông Băng-la-đéc, một số kết quả tính toán dự báo sạt lở bờ do dòng chảy sông... giả: Lê Ngọc Bích, Nguyễn Ân Niên, Lê Mạnh Hùng, Nguyễn Thị Bảy - Nghiên cứu chống sạt lở tại km 88 + 937 trên ql 91, Bình Mỹ, An Giang của tác giả Lê Xuân Việt, Trần Nguyễn Hoàng Hùng - Các công trình nghiên cứu dự báo xói sâu phổ biến ở các hạ lưu các công trình thuỷ điện có các tác giả: Lưu Công Đào, Lê Ngọc Bích… - Nghiên cứu sạt lở bờ sông kênh rạch trên địa bàn tỉnh Cà Mau từ đó đề xuất giải pháp... chuyển tải bùn cát và bồi xói đáy - Các công trình nghiên cứu về diễn biến đường bờ trong sông, ven biển bằng kỹ thuật GIS và viễn thám có các tác giả: Hà Quang Hải,… 15 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SẠT LỞ BỜ SÔNG Trong đề tài, mô hình sạt lở theo dạng trượt cong được áp dụng để tính toán sụt bờ Dạng sạt lở này đã được trình bày trong phần 1.2.2 Cơ chế sạt bờ theo dạng trượt trên mặt phẳng cong được... lớn, tuyết tan hoặc là do sự hạ thấp mực nước nhanh chóng của dòng chảy.[9] Hình 1.5: Cơ chế sạt lở thành dòng 1.1.6 Sạt lở bờ dạng bật ra (Popout failure) Hình 1.6: Cơ chế sạt lở bờ dạng bật ra (Theo O’Neil và Kuhns 1994) Popout failure – sạt lở bờ dạng bật ra là một định nghĩa dùng để chỉ các quá trình sạt lở bờ có các khối vật liệu với kích thước từ nhỏ 11 đến trung bình bị đẩy ra ngoài ở gần hoặc... hình nghiên cứu trong nước Nước ta với hệ thống sông rạch dày đặc, đường bờ ven biển hàng ngàn km, hiện tượng sạt lở bờ sông, bờ biển đã xảy ra nghiêm trọng Hiện tượng sạt lở bờ sông, đường bờ ven biển ngày càng được xem là 14 một hiểm hoạ đe dọa đời sống và sự phát triển bền vững của xã hội Vì vậy, vấn đề nghiên cứu sạt bờ biển và cửa sông ở Việt Nam đã được chú ý từ lâu thông qua các đề tài, dự án nghiên. .. áp của mái bờ bị suy giảm dần Đến một thời gian nhất định mái bờ sẽ bị mất ổn định và sạt lở sẽ xảy ra Xói lở dạng này thường xảy ra vào thời gian đầu mùa mưa, thời điểm mực nước kiệt Các đợt sạt lở xảy ra ngắt quãng và có chu kỳ dài hơn so với dạng sạt lở do sóng thuyền bè gây ra Tuy nhiên khối đất mỗi một đợt sạt lở thường lớn hơn và nguy hiểm hơn 1.2.4 Tác động của con người Việc sử dụng các xe cộ,... các đề tài, dự án nghiên cứu khoa học công nghệ các cấp Có thể liệt kê một số công trình như sau : - Công trình nghiên cứu về bùn cát và diễn biến lòng sông, diễn biến đường bờ, sông Cửu Long, sông Sài Gòn - Đồng Nai có các tác giả: Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu, Tô Quang Thịnh, Hoàng Văn Huân, Phan Văn Hoặc, Nguyễn Thị Bảy, Nguyễn Kỳ Phùng,… - Công trình nghiên cứu dự báo sạt lở bờ sông Cửu Long có... dòng chảy, bồi xói và mô hình toán tính sạt lở bờ; dựa trên mô hình đã xây dựng được, định hướng phát triển cho luận văn tốt nghiệp như sau: - Xây dựng mođun thể hiện kết quả sạt lở trên mặt phẳng tọa độ - Oxy; Cải tiến mô hình tính sạt lở bờ: có xét đến ảnh hưởng của các lớp địa chất, áp lực nước lên thành bờ, nước ngầm…; 31 - Tích hợp mô hình toán tính sạt lở bờ sông với mô hình toán tính dòng chảy,... của Sai số 0% Như vậy mô hình toán tự xây dựng tính sạt lở bờ sông trên cung trượt cong đã được kiểm tra và cho kết quả tốt so với kết quả của phần mềm Geoslope môđun Slope/W 30 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài đã xây dựng thành công mô hình toán tính sạt lở bờ sông trên cung trượt cong bằng ngôn ngữ lập trình C# Cụ thể, mô hình sẽ tính toán sạt lở bờ sông cho một mặt cắt dựa vào hệ số an toàn FS... tác động đến bề mặt đất Đất bị đè nén làm giảm khả năng thấm của đất, khi mưa xuống các dòng chảy được hình thành nhanh chóng và dễ làm xói lở bờ Tình hình nghiên cứu thế giới Mô hình toán đầu tiên về phân tích và đánh giá mức độ ổn định của bờ sông được nghiên cứu bởi các tác giả: Lohnes và Handy (1968), có những mô hình 1D của Cunge và cộng sự 1980; Thomas (1982); Huang (1983); Osman, Thorne (1988); . một số kết quả tính toán dự báo sạt lở bờ do dòng chảy sông gây nên như Darby và Thorn (1999) hay sau này được Steven Darby (2004) phát triển lên thành bộ mô hình kết hợp giữa dòng chảy và ổn. trong đánh giá nguy cơ sạt lở bờ và đặt biết khi xem xét cới các bờ là vật liệu kết dính (Rosgen, Dapporto và cộng sự, 2003). sạt lở do xói mòn bờ và đáy dưới tác động cảu dòng chảy ở ven bờ sẽ. hình này tiếp tục được phát triển bởi các tác giả khác như: Simon và cộng sự (1991); Stephen E. Darby (1994), và các mô hình 2D và 3D như Sheng (1983); Wang, Adeƒ (1986), Spasojevic, Holly (1993);