Cơ chế trượt lở bờ sông Hồng và các biện pháp khắc phục khu vực đô thị vệ tinh Sơn Tây

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 37 CƠ CHẾ TRƯỢT LỞ BỜ SÔNG HỒNG VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC KHU VỰC ĐÔ THỊ VỆ TINH SƠN TÂY TRẦN VĂN TƢ, NGUYỄN MẠNH TÙNG, ĐÀO MINH ĐỨC, LẠI NGỌC DỰ * Landsliding mechanism of red riverbank and remedies in son tay satellite urban Abstract: Landslides of Red riverbank in Son Tay - Phuc Tho area have caused much harm to the economy - society. Despite having the embankment in resent, but still a lot of incidents happen. It is necessary to recognize the causes of this phenomenon. Based on documents of engineering geological survey, the authors analyzed the stable on landslide of dike and riverbank in this region. The riverbank is more unstabe in case of having the infiltration from field to river. Since it can determine the cause and mechanism of riverbank landslide in Son Tay satellite urban. From this result can clearly see the mechanism moving the riverbed of many stretches of the North Delta having a similar geological structure. 1. MỞ ĐẦU * Theo quyết định Số: 5514/QĐ-UBND ngày 20 tháng 10 năm 2015 của UBNH Thành phố Hà Nội về việc phê duyệt quy hoạch chung thị xã Sơn Tây (Long ghép đô thị vệ tinh Sơn Tây), thành phố Hà Nội đến năm 2030. Vị trí khu vực nghiên cứu lập quy hoạch nằm ở phía tây bắc Thành phố Hà Nội. Bao gồm: Toàn bộ địa giới hành chính thị xã Sơn Tây, gồm 09 phƣờng: Lê Lợi, Phú Thịnh, Ngô Quyền, Quang Trung, Sơn Lộc, Xuân Khanh, Viên Sơn, Trung Hƣng, Trung Sơn Trầm; 06 xã: Đƣờng Lâm, Xuân Sơn, Thanh Mỹ, Kim Sơn, Sơn Đông, Cổ Đông và xã Cam Thƣợng, huyện Ba Vì. Trong đó phía bắc khu đô thị vệ tinh (ĐTVT) Sơn Tây giáp sông Hồng, [3]. Nhƣ vậy một đoạn đê khoảng 7 km từ K25 đến K32 thuộc địa phận ĐTVT Sơn Tây. Điều này đặt ra một nhiệm vụ quan * Viện Địa chất, Viện Hàn lâm KHCN uốc gia 04 550 8369 Email: vantutran1954@gmail.com trọng là bảo vệ an toàn đê và phòng chống trƣợt lở bờ sông Hồng. Về cấu tạo địa chất công trình nền đê khu vực này, nhất là từ K30-K32 có đặc thù riêng so với các nơi khác thuộc đồng bằng Bắc Bộ. Đó là tồn tại lớp cát pha, cát bụi đƣợc hình thành qua quá trình chuyển dòng sông Hồng và các sông nhánh tạo nên. Các nghiên cứu về địa chất công trình nền đê khu vực này của các cán bộ Viện Địa chất ở các năm 1980-2000, [6] cho thấy các sự cố đê điều thuộc đồng bằng Bắc Bộ nói chung và khu vực này nói riêng liên quan chặt chẽ với cấu trúc địa chất công trình nền đê. Các loại hình trƣợt lở bờ sông cũng phụ thuộc rất lớn vào điều này. Tuy nhiên cho đến nay việc bảo vệ xói lở và trƣợt bờ sông chỉ có biện pháp là làm kè chống xói, một phần để chống trƣợt lở song chống xói lở vẫn là chính. Cũng do cấu trúc địa chất công trình đặc thù bờ sông và nền đê mà vấn đề chống xói lở bằng kè ở các vị trí phía nam Hà Nội có ý nghĩa hơn ở khu vực Ba Vì, Sơn Tây và Phúc Thọ, [6]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 38 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH NỀN ĐÊ VÀ BỜ SÔNG Hình 1 chỉ ra cấu trúc địa chất công trình nền đê và bờ sông Hồng khu vực nghiên cứu. Ở đây có 2 mặt cắt ngang đê cách nhau 200 m. Cấu trúc địa chất công trình nền đê giống nhau song khác nhau về độ sâu và độ dày các lớp, [2, 6]. - Lớp (1) là lớp đất nhân tạo, trong đó lớp (1a) là lớp đất đắp đê. Đây là lớp sét, sét pha nửa cứng đến cứng. Mặc dù đƣợc khống chế chặt chẽ về chất lƣợng song do khả năng thi công và trải qua thời gian dài tu bổ nên lớp này rất không đồng nhất. Tuy vậy chúng cũng đủ để đảm bảo khả năng ngăn nƣớc vào mùa lũ. Tuy nhiên lớp đất đắp san lấp mặt bằng (1b) bởi nhiều mục đích khác nhau nhƣ lấp ao hồ chống thấm cho đê, san lấp mặt bằng để xây dựng thì đất còn bất đồng nhất hơn nữa. Lớp đất này chiều dày khoảng 1-2 m. - Lớp (2) là lớp sét sét pha dẻo đến dẻo cứng là trầm tích sông hiện đại ngoài đê. Thƣờng chiều cao lớn hơn trong đê 1-2 m, nhiều nơi 2-3 m do thƣờng xuyên đƣợc bồi đắp thêm. - Lớp (3b) là sét sét pha trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng thuộc trầm tích sông hệ tầng Thái Bình. Đây là lớp cơ bản hình thành lên đồng bằng châu thổ. Thƣờng lớp này dày từ 1-2 m đến 4-6 m, tùy theo vị trí. Ở KM31 chiều dày thay đổi từ 5-7 m, ở KM32 chiều dày thay đổi từ 2-3 m. Đây là lớp chống thấm và bảo vệ cho nền đê. Cao trình mặt đất khoảng 9-10m. - Lớp (3a) là lớp cát pha cát bụi hình thành do chuyển lòng sông chính hoặc nhánh. Lớp này bình thƣờng với độ ẩm tự nhiên thì có cấu trúc tốt song khi bão hòa thì rất dễ bị biến dạng. Đây là lớp đất đặc biệt rất dễ bị tác động của áp lực thấm nhƣ xói ngầm và cát chảy. Chiều dày thay đổi từ 1-3 m. Tuy nhiên cao trình xuất hiện ở KM31 khoảng từ +1 đến +2m, ở KM32 khoảng từ +5 đến +6m. - Lớp (4) là lớp cát mịn đến nhỏ thuộc hệ tầng Thái Bình do trầm tích tƣớng lòng sông. Lớp này có mặt ở ven sông Hồng và phạm vi phân bố liên quan đến chuyển lòng sông. Cao trình xuất hiện ở KM31 khoảng từ -1 đến -2m, ở KM32 khoảng từ -4 đến -5 m. - Lớp (5) đây là lớp cát thô lẫn cuội sỏi nhỏ thuộc hệ tầng Vĩnh Phúc. Trong mặt cắt ở nền đê Viên Sơn không xác định song trên cơ sở các lỗ khoan bên cạnh thì bề mặt của chúng phân bố khá ổn định từ -6 đến -7m. - Lớp (6) là lớp cuội sỏi thuộc hệ tầng Hà Nội nằm trên hệ tầng Lệ Chi hoặc đá gốc. Độ dày và chiều sâu của chúng thay đổi lớn, ở khu vực này cao trình bề mặt khoảng -8 đến -10m. - Lớp (8) là lớp đá phong hóa có bề mặt phân bố từ -20-22m. Tính chất của các lớp đấy đƣợc cho trên Bảng 1. 3. KIỂM CHỨNG ỔN ĐỊNH TRƢỢT Trên cơ sở mặt cắt ngang sông đo vào năm 2001 (Hình 2) tại KM27. Khu vực này đáy sông có cao trình -7,68, độ sâu nhất cách bờ khoảng đê khoảng 355 m. Mặt cắt sông tại KM35 có độ sâu đáy sông là -2,93, khoảng cách đến đê là 206 m. Do đó nếu lấy bình quân tại K31 thì đáy sông có cao trình là -5,30 m, khoảng cách từ nới sâu nhất đến chân đê là 280m. Nhƣ vậy với mặt lớp cát bụi, cát mịn thì độ dốc bề lớp cát ở dƣới nƣớc khoảng 2,00. Đây là độ dốc khá phù hợp với một số tài liệu nghiên cứu của các nhà khoa học trong nƣớc và quốc tế, [6]. Hình (3), (4), (5), (6) chỉ các bài toán và lời giải cho ổn định trƣợt bờ sông kết hợp với bài toán thấm nƣớc từ trong đồng ra sông vào mùa giáp ranh giữa mùa khô và mùa mƣa, cao trình mực nƣớc trong đồng khoảng +10 m, trong khí đó cao trình mực nƣớc sông Hồng đã hạ thấp còn khoảng +5. Nhƣ vậy có hiện tƣợng thấm từ trong đồng ra sông. Hình 7 và 8 cho bài toán và kết quả tính thấm từ trong đồng ra sông. Chúng ta nghiên cứu hệ số an toàn trong hai trƣờng hợp 1) không có dòng thấm từ trong đồng ra sông và 2) có dòng thấm từ trong đồng ra sông. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 39 Hình 1. Mặt cắt ĐCCT ngang đê tại KM31 ĐTVT Sơn Tây Hình 2. Mặt cắt ngang sông Hồng tại KM27 năm 2001, [6] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 40 Bảng 1. Bảng chỉ tiêu vật lý cơ học các lớp đất khu vực Viên Sơn Distance 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E le v a ti o n -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Hình 3. Bài toán tính ổn định bờ sông khi không có dòng thấm 1.770 Distance 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E le v a ti o n -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Hình 4. Mặt trượt và hệ số an toàn theo Bishop (FS=1,77) ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 41 Distance 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E le v a ti o n -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Hình 5. Bài toán tính trượt có kể đến áp lực thấm 1.432 Distance 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E le v a ti o n -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Hình 6. Kết quả phân tích ổn định bài toán có kể đến áp lực thấm (Fs=1,432) Distance 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E le v a t io n -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Hình 7. bài toán tính thấm từ đồng ra sông ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 42 Distance 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 E l e v a t i o n -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Hình 8. Kết quả tính thấm từ đồng ra sông Hình 4 chỉ ra lƣỡi trƣợt và hệ số an toàn theo Bishop (Với Jabu thì hệ số an toàn nhỏ hơn một chút). Đây là kết quả tính ổn định trƣợt khi không có áp lực thấm. Hình 5 và 6 là bài toán cùng với kết quả tính toán khi kết hợp với bài toán thấm từ trong đồng ra. Mặc dù hệ số an toàn có giảm đáng kể song bờ sông vẫn ổn định. Điều này cho thấy cơ chế trƣợt lở bờ sông khu vực này có tính đặc biệt và sẽ đƣợc phân tích dƣới đây. 4. CƠ CHẾ TRƢỢT LỞ VÀ BIỆN PHÁP PHÕNG CHỐNG Trƣớc hết chúng ta phân tích khả năng ổn định thấm của các lớp đất nền đê. Trên cơ sở Bảng 1 cho thấy các lớp đất sét-sét pha nhìn chung ổn định với biến dạng thấm. Tuy nhiên việc còn lại là lớp cát pha cát bụi và cát mịn. Dựa trên thành phần hạt lớp cát pha, cát bui ta tính đƣợc hệ số bất đồng nhất =21,54. Dựa trên biểu đồ Ixtomina ta tính đƣợc Jgh=0,25. Nhƣ vậy với lớp cát pha cát bụi khi gradient thủy lực lớn hơn 0,25 thì hiện tƣợng xói ngầm xảy ra. Tuy nhiên ở đây chúng ta quan tâm nhiều hơn đến hiện tƣợng cát chảy. Theo tính toán lý thuyết ổn định của khối đất ở mái dốc có dòng thấm thì với cát mịn ta có mái ổn định là 100, và với cát bụi là 50. Nhƣ vậy khi đáy sông cắt vào tầng cát mịn và cát bụi thì hai tầng này bị chảy tràn để có mái dốc ổn định. Điều này phù hợp với độ dốc đáy sông trong tầng cát. Trở lại bài toán tính thấm từ trong đồng ra sông nhƣ ở Hình 7 và 8. ta tính đƣợc X- Gradient và Y-Gradient trên mặt lớp cát bụi nhƣ hình 9 và 10 dƣới đây. Trị số lớn nhất X-Gradien là 0,12 và Y- Gradient là 0,5. Đây là trị số khá lớn với sự ổn định của tầng cát bụi và mịn. Từ đấy cho thấy cơ chế trƣợt ở khu vực nhƣ sau. Đầu tiên với tác động của dòng chảy sông bị xói đáy và cắt sâu vào tầng cát bụi và mịn. Tầng cát bụi và mịn bị chảy ra sông tạo ra một mái dốc cân bằng nhỏ hơn 5 và 100 tƣơng ứng. Thực tế ranh giới tầng cát bụi và lớp sét bên trên gần nằm ngang nên khi chảy tạo ra khe hở giữa hai tầng. Nhƣ vậy bờ đất sét bên trên có dạng "hàm ếch" và bị sập nếu đủ điều kiện tác động về trọng lƣợng. Nhƣ vậy có thể nói hiện tƣợng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 43 trƣợt lở bờ sông khu vực này có cơ chế phá hỏng dạng trƣợt-sập. Cơ chế trƣợt-sập này xảy ra làm tăng độ dốc bờ sông, dẫn đến quá trình trƣợt bình thƣờng tiếp theo. Việc cát chảy làm tách bề mặt tiếp xúc sét và cát có thể làm mặt đất bị lún nghiêng ra sông nếu quá trình xảy ra từ từ hoặc đất bị sụt dạng "hố địa ngục" khi tầng sét - sét pha của tầng phủ mỏng. X-Gradient mat cat bui X -G ra d ie n t X (m) -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 -0.1 -0.12 0 0.02 140 160 180 200 220 150 170 190 210 230 Y-Gradient mat cat bui Y -G ra d ie n t X (m) -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 140 160 180 200 220 150 170 190 210 230 Hình 9. Gradient thủy lực trên mặt tầng cát bụi lân cận bờ sông Biện pháp khắc phục có ý nghĩa nhất là bảo vệ sự chảy của tầng cát bụi và cát mịn. Tuy nhiên hiện trạng lòng sông đã xảy ra nhƣ trên hình vẽ nên cần thiết phải bảo vệ không để dòng nƣớc cuốn trôi lớp cát đáy sông, nghĩa là bảo vệ quá trình xói mòn "di đáy". Thực tế khu vực này luôn luôn hình thành các con bơn giữa dòng cho thấy quá trình di đáy rất mạnh. Để bảo vệ các kè đã có hoặc thiết kế kè mới phải mở rộng phạm vi bảo vệ đáy sông bằng các rồng tre hoặc đá hộc. Trƣớc đây Bộ NN & PTNT đã nhập công nghệ bao tải cát xi măng của Hoa Kỳ để bảo vệ đáy sông song thực tế chƣa triển khai công trình nào dạng này, [1]. 5. MỘT SỐ NHẬN XÉT THAY KẾT LUẬN 1. Trƣợt lở bờ sông là một dạng xói lở tốc độ cao nhƣ một tai biến thiên nhiên, quá trình gia tăng khi có tác động của nhân sinh. Cơ chế trƣợt - sập có thể gây thảm họa cho ngƣời và tài sản của nhân dân ven sông. 2. Khu vực bờ sông Hồng thuộc ĐTVT Sơn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 3-2016 44 Tây nói riêng và phía bắc Hà Nội nói chung (Từ Đan Phƣợng trở lên Sơn Tây, Ba Vì và phía bên kia là Mê Linh) với đặc điểm đặc thù về cấu tạo địa chất công trình nền đê và bờ sông, hiện tƣợng thấm ngƣợc từ trong đồng ra sông cƣờng độ lớn đã gia tăng quá trình trƣợt lở bờ sông. Quá trình này cũng có thể gây ra các hố sụt do xói ngầm hay cát chảy. 3. Cần thiết phải nghiên cứu công nghệ mới để thiết kế kè bờ sông đảm bảo an toàn cho kè vừa giữ chức năng chống xói mòn, trƣợt lở và vừa bảo vệ vùng đất ven sông không xảy ra trình trạng các "hố địa ngục". Công nghệ mới này chủ yếu là cải tiến thi công kè và bảo vệ tầng cát đáy sông. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Quốc Thành và nnk, 2006, Nghiên cứu đánh giá trƣợt lở, lũ quét - lũ bùn đá tại vùng trọng điểm tỉnh Lào Cai (H. Bát Xát, H. Sa Pa và TP. Lào Cai - tỉnh Lào Cai) và kiến nghị các giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại, ĐT nhánh của ĐT KC08-01. 2. Nguyễn Văn Phƣơng và nnk, 2004, Thu thập, kiểm chứng các tài liệu đã có, nghiên cứu bổ sung lập bản đồ phân vùng đất yếu Hà Nội phục vụ phát triển bền vững thủ đô, Đề tài cấp TP, Hà Nội, 2002-2004. 3. Quyết định Số: 5514/QĐ-UBND ngày 20 tháng 10 năm 2015 của UBNH Thành phố Hà Nội về việc phê duyệt quy hoạch chung thị xã Sơn Tây (Lòng ghép đô thị vệ tinh Sơn Tây), thành phố Hà Nội đến năm 2030. 4. Trần Văn Tƣ, 2001, Địa chất đệ tứ với hiện tƣợng xói lở bờ sông Hồng đoạn Việt Trì - Đan Phƣợng, Tạp chí Địa chất, ISSN 0866- 7381, Loạt A, số 267, 2001. 5. Trần Văn Tƣ, 2004, Những sự cố liên quan đến biến dạng thấm với đê và bờ sông hữu Hồng khu vực Phúc thọ, Đan phƣợng (Hà Tây), Tạp chí các khoa học về trái đất, ISSN 0886- 7187, N01/26, 30-37.111-120. 6. Trần Văn Tƣ, 2011, Đặc điểm địa chất công trình nền đê sông Hồng khu vực Hà Nội và các tai biến địa chất liên quan, Tạp chí các khoa học về trái đất, ISSN 0886-7187, No3/33, 480-492. Phản biện: PGS.TS. ĐOÀN THẾ TƢỜNG