Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long với hơn 17 triệu nhân khẩu đang đối mặt với thách thức sạt lở bờ sông ngày càng khốc liệt. Trong giai đoạn 2011-2015, diện tích rừng phòng hộ và đất ven sông của toàn vùng đã suy giảm 10%, tương đương 28.387 ha bị cuốn trôi. Riêng tại tỉnh An Giang, chỉ trong 5 tháng đầu năm 2018 đã ghi nhận 15 điểm sụt lún nghiêm trọng với tổng chiều dài 1.224 m, làm sụp đổ 18 căn nhà và buộc phải di dời khẩn cấp 136 hộ dân. Tuyến kênh Rạch Giá - Long Xuyên có tổng chiều dài 68 km, giữ vai trò huyết mạch kết nối giao thương thủy lục giữa sông Hậu và biển Tây. Tuy nhiên, tình trạng mất ổn định bờ kè diễn ra ngày càng phức tạp, đe dọa trực tiếp các công trình đô thị lân cận có cao trình biến thiên từ +0,500 m đến +2,800 m.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán chống sạt trượt sâu cho tuyến kè thuộc khu vực nội ô thành phố Long Xuyên, giới hạn từ Trung tâm Thương mại Vincom đến cầu sắt Nguyễn Thái Học. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là phân tích định lượng tương quan giữa dao động thủy triều, đặc trưng địa chất yếu và ứng suất cắt trong mái dốc; từ đó đánh giá tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của các giải pháp kết cấu kè kiên cố. Kết quả phân tích cho thấy bờ kênh tự nhiên trong mùa khô có hệ số an toàn tụt dốc xuống mức 0,847, thấp hơn nhiều so với ngưỡng quy chuẩn 1,40 theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 262-2000. Đề tài cung cấp cơ sở khoa học xác thực giúp các cơ quan quản lý giảm thiểu 100% nguy cơ sụp đổ công trình và tối ưu hóa chi phí đầu tư gia cố bờ kênh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học đất hiện đại kết hợp cơ học dòng thấm. Đầu tiên, định luật thấm Darcy được ứng dụng để mô tả dòng chuyển động của nước ngầm qua các tầng đất bão hòa và không bão hòa dưới áp lực gradient thủy lực hai chiều. Sự hình thành áp lực nước lỗ rỗng khi triều rút nhanh là nhân tố trực tiếp làm suy giảm ứng suất pháp hữu hiệu bên trong thân kè.

Thứ hai, độ bền của vật liệu nền đất được xác định thông qua mô hình đàn dẻo Mohr-Coulomb. Theo lý thuyết này, cường độ chống cắt của đất là hàm số bậc nhất phụ thuộc vào lực dính kết hữu hiệu c' và góc ma sát trong phi'. Khi ứng suất cắt ngoại sinh vượt qua sức kháng cắt giới hạn, mặt trượt tròn sẽ hình thành và mở rộng.

Thứ ba, phương pháp phân mảnh đơn giản hóa của Bishop (Bishop's Simplified Method) được lựa chọn để thiết lập phương trình cân bằng mô-men cho toàn bộ khối trượt. Khác với phương pháp Fellenius cổ điển, mô hình Bishop tính đến tương tác lực pháp tuyến giữa các thỏi đất kế cận, loại bỏ giả thiết lực cắt biên triệt tiêu. Nhờ vậy, thuật toán lặp hội tụ giúp xác định chính xác hệ số an toàn nhỏ nhất, đảm bảo tính chuẩn xác cho các bài toán kè trên nền đất yếu có hệ số an toàn yêu cầu tối thiểu đạt 1,40.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu địa kỹ thuật phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ 3 lỗ khoan khảo sát sâu trên 30 m tại hiện trường nội ô thành phố Long Xuyên. Cỡ mẫu bao gồm 45 mẫu đất nguyên dạng và không nguyên dạng, được thu thập bằng phương pháp lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên dọc tuyến kè dài hơn 1.000 m. Các chỉ tiêu cơ lý được kiểm định qua thí nghiệm nén ba trục, cắt cánh hiện trường và thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT. Số liệu khí tượng thủy văn được tổng hợp từ chuỗi quan trắc nhiều năm với 189 ngày mưa/năm, lượng mưa trung bình đạt 1629 mm và biên độ dao động bán nhật triều lên tới 3,0 m.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số trên phần mềm chuyên dụng GeoStudio - SLOPE/W là bởi công cụ này tích hợp hoàn hảo mô hình ứng xử thoát nước của đất dính kết. Phần mềm cho phép quét tự động hàng nghìn cung trượt tiềm năng xuyên qua các lớp địa tầng phân bố phức tạp, đồng thời mô phỏng chuẩn xác tác động hạ thấp mực nước từ cao trình +2,50 m xuống -2,80 m. Toàn bộ quy trình khảo sát hiện trường, lập mô hình phần tử và xử lý tính toán số được thực hiện chặt chẽ trong khoảng thời gian từ tháng 8/2017 đến tháng 10/2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số trị trên mô hình mặt cắt ngang điển hình đã chỉ ra ba phát hiện then chốt về trạng thái ổn định của công trình bờ kênh:

Thứ nhất, hệ số an toàn ổn định trượt sâu của mái dốc tự nhiên biến thiên tiêu cực theo chu kỳ thủy văn hàng năm. Ở kịch bản mực nước cao nhất trong mùa lũ tại cao trình +2,50 m, hệ số an toàn đạt giá trị 1,182. Khi mực nước rút về mức trung bình +0,70 m, hệ số an toàn giảm còn 0,963. Đáng báo động nhất là trong mùa khô với mực nước kiệt rút sâu xuống cao trình -2,80 m, hệ số an toàn chỉ còn 0,847, sụt giảm 28,34% so với mùa lũ. Tất cả các giá trị này đều nằm dưới ngưỡng an toàn cho phép là 1,40.

Thứ hai, cấu trúc địa tầng khu vực nghiên cứu bộc lộ điểm yếu chết người khi tồn tại tầng bùn sét dẻo mềm dày tới 14,0 m nằm ngay sát dưới lớp sét dẻo bề mặt dày 5,5 m. Tầng bùn sét này có sức chịu tải SPT cực thấp chỉ đạt 1 búa, lực dính hữu hiệu c' bằng 6,8 kN/m2 và góc ma sát trong chỉ đạt 6,0 độ. Kết quả tính toán chỉ ra rằng 100% các cung trượt nguy hiểm nhất đều cắt sâu qua lớp bùn sét này trước khi chạm tới tầng sét nửa cứng dày 10,5 m nằm ở độ sâu dưới 19,5 m.

Thứ ba, sự gia tăng đột biến của tải trọng giao thông thủy với mật độ ghe tàu vận tải nặng trên 200 tấn hoạt động liên tục tạo ra các xung sóng va đập trực tiếp vào mái kênh. Kết hợp với tải trọng công trình xây dựng dày đặc sát mép nước, ứng suất cắt trượt động tăng thêm từ 15% đến 22%, đẩy nhanh vận tốc phá hủy bờ.

Thảo luận kết quả

Cơ chế trượt lở của tuyến kênh Rạch Giá - Long Xuyên được làm sáng tỏ dưới góc độ nhiệt động và áp lực thủy tĩnh. Trong mùa khô, việc hạ thấp mực nước sông xuống cao trình -2,80 m làm triệt tiêu lực đẩy ngược của khối nước mặt vốn đóng vai trò gia tải giữ chân mái dốc. Ngược lại, áp lực nước lỗ rỗng tích tụ trong tầng bùn sét không kịp tiêu tán do hệ số thấm cực nhỏ, hình thành gradient dòng thấm kéo theo các hạt đất mịn ra lòng dẫn. Hiện tượng này giải thích vì sao hàng loạt vụ sạt lở nghiêm trọng tại địa phương như sự cố cây xăng rơi xuống lòng kênh vào tháng 5/2018 hay sạt lở phường Mỹ Khánh vào tháng 6/2012 đều diễn ra bất ngờ trong giai đoạn chuyển mùa và mực nước hạ thấp.

Dữ liệu mô phỏng trong luận văn có thể được trực quan hóa rất sinh động thông qua biểu đồ đường biểu diễn sự suy giảm tuyến tính của hệ số an toàn theo cao độ mặt nước, đi kèm bảng ma trận so sánh ứng suất cắt của các lớp đất. Bên cạnh đó, đồ họa trường ứng suất từ SLOPE/W thể hiện rõ tâm quay trượt hình trụ tròn ôm trọn chân taluy. So sánh với các nghiên cứu thực địa tại vị trí sạt lở Vàm Nao xuất hiện hố xoáy sâu 43 m hoặc vụ xâm thực Quốc lộ 91 dài 150 m tại huyện Châu Phú năm 2010, cơ chế phá hoại trượt sâu là hoàn toàn tương đồng. Điều này khẳng định việc áp dụng các biện pháp bảo vệ bề mặt đơn thuần như ốp đá hay trồng cỏ không thể ngăn chặn được mặt trượt sâu 14 m.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để nguy cơ trượt sâu bờ kênh, luận văn đề xuất 4 giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ:

Thứ nhất, thi công gia cố hệ cọc bê tông cốt thép đúc sẵn tiết diện 350x350 mm hoặc 400x400 mm kết hợp dầm mũ liên kết giằng đỉnh mái dốc. Chiều dài cọc phải được thiết kế xuyên qua hết tầng bùn sét 14,0 m và ngàm sâu tối thiểu 3,0 m vào tầng sét nửa cứng chịu lực bên dưới. Giải pháp này giúp cắt đứt cung trượt tròn, hạ ứng suất cắt trong mái dốc và nâng hệ số an toàn FS vượt ngưỡng 1,45.

Thứ hai, ứng dụng cọc ván cừ bê tông cốt thép đúc sẵn dự ứng lực dạng chữ W (SW) làm tường chắn bảo vệ bờ. Giải pháp này giúp tối ưu hóa khả năng chịu mô-men uốn ngang lớn do áp lực đất chủ động gây ra, đồng thời rút ngắn 35% tiến độ thi công ngoài hiện trường so với bê tông đổ tại chỗ và đảm bảo tuổi thọ công trình trên 50 năm trong môi trường xâm thực nước ngọt phù sa.

Thứ ba, triển khai giải pháp tường cừ ván thép Larsen IV kết hợp thả rọ đá bọc nhựa PVC dày 0,5 m chống xói ngầm chân kè tại các khúc uốn cong có lưu tốc dòng chảy cục bộ lớn. Mục tiêu kỹ thuật là giữ vững hệ số ổn định mái dốc ở mức FS đạt từ 1,50 đến 1,55 ngay cả trong điều kiện triều kiệt -2,80 m.

Thứ tư, Ủy ban nhân dân thành phố Long Xuyên phối hợp cùng Sở Xây dựng và Sở Nông nghiệp tỉnh An Giang thiết lập hành lang an toàn bảo vệ bờ kè trong chu kỳ 2019-2023. Cần lắp đặt hệ thống biển báo hạn chế tốc độ tàu thuyền, cấm phương tiện thủy có tải trọng vượt quá 200 tấn lưu thông gần mép bờ và kiên quyết di dời các cụm nhà dân lấn chiếm lòng kênh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế kết cấu công trình ngầm, địa kỹ thuật và thủy lợi. Nghiên cứu cung cấp bộ thông số địa chất thực tế của tầng bùn sét ĐBSCL cùng quy trình chuẩn thiết lập bài toán kiểm tra ổn định trượt sâu trên phần mềm SLOPE/W, giúp rút ngắn thời gian tính toán mô phỏng kết cấu kè.

Nhóm thứ hai gồm cán bộ quản lý dự án thuộc Sở Xây dựng, Sở Giao thông Vận tải và Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng tỉnh An Giang. Luận văn là tài liệu tham khảo đắc lực để thẩm định đồ án thiết kế, lựa chọn phương án kỹ thuật tối ưu giữa kè cừ dự ứng lực và cọc bê tông cốt thép dựa trên chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

Nhóm thứ ba là các nhà thầu xây dựng hạ tầng thủy lợi ven sông. Tài liệu cung cấp các lưu ý thực tiễn về biện pháp thi công ép cọc qua tầng bùn sét dày 14 m, giải pháp liên kết dầm mũ và kiểm soát biến dạng công trình nhằm hạn chế nứt gãy lún sụt sang các nhà dân kế cận.

Nhóm thứ tư là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình thủy, dân dụng và công nghiệp. Đề tài mở ra hướng nghiên cứu mở rộng về bài toán tương tác đất - kết cấu cừ chịu lực uốn phức tạp trong điều kiện biến đổi khí hậu vùng ngập lũ.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân cốt lõi khiến bờ kênh Rạch Giá - Long Xuyên sạt lở mạnh nhất vào mùa khô là gì? Vào mùa khô, mực nước hạ sâu xuống -2,80 m làm mất đi lực đẩy thủy tĩnh chống đỡ mái dốc. Đồng thời, gradient dòng thấm thoát nhanh ra sông sinh ra lực kéo thủy động kết hợp với lớp bùn sét yếu giữ nước khiến hệ số an toàn sụt giảm mạnh từ 1,182 xuống mức nguy hiểm 0,847.

Lớp bùn sét dẻo mềm dày 14 m ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định tổng thể của bờ kè? Tầng bùn sét có sức chống cắt cực kỳ hạn chế với lực dính chỉ 6,8 kN/m2 và chỉ số SPT bằng 1 búa. Chiều dày quá lớn tới 14,0 m khiến toàn bộ bề mặt cung trượt phá hoại đều hình thành trọn vẹn trong lớp đất này, dẫn đến hiện tượng trượt cung tròn quy mô lớn nếu không có cọc chịu lực ngàm giữ.

Quy chuẩn nào quy định hệ số an toàn chịu trượt cho công trình kè kênh này? Theo tiêu chuẩn thiết kế đê điều và nền đường đắp 22TCN 262-2000, hệ số an toàn tính toán theo phương pháp Bishop đơn giản hóa phải đạt giá trị từ 1,40 trở lên. Do đó, các giá trị hiện trạng từ 0,847 đến 1,182 của tuyến kênh hoàn toàn không đạt điều kiện bền vận hành.

Tại sao giải pháp cọc ván cừ bê tông dự ứng lực dạng chữ W được ưu tiên lựa chọn? Cọc cừ dạng chữ W sản xuất theo công nghệ bê tông dự ứng lực đúc sẵn có khả năng chịu lực cắt và mô-men uốn cao hơn 30% so với cừ thông thường. Kết cấu này tạo thành bức tường chắn liên tục khép kín, thi công nhanh gọn, không chiếm dụng mặt bằng đường Lê Văn Nhung và có độ bền trên 50 năm.

Các giải pháp kè mềm bằng sinh thái như trồng cỏ Vetiver có thể thay thế kết cấu kè cứng tại đây không? Trồng cỏ Vetiver có hệ rễ sâu từ 1 đến 4 m chỉ có tác dụng bảo vệ bề mặt chống xói mòn do mưa lũ. Do mặt trượt phá hoại tại kênh Rạch Giá - Long Xuyên khoét sâu qua tầng bùn sét 14,0 m, các giải pháp sinh thái không thể triệt tiêu được ứng suất trượt sâu mà bắt buộc phải kết hợp kè cọc cứng.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định định lượng hệ số an toàn mái dốc kênh Rạch Giá - Long Xuyên ở 3 trạng thái thủy triều, chỉ rõ mức độ mất an toàn nghiêm trọng trong mùa khô với hệ số an toàn suy giảm còn 0,847.
  • Nghiên cứu làm sáng tỏ cơ chế phá hoại trượt sâu bắt nguồn từ sự phối hợp bất lợi giữa lớp bùn sét yếu dày 14,0 m và áp lực thủy động khi biên độ triều dao động lên tới 3,0 m.
  • Xây dựng thành công quy trình mô phỏng địa kỹ thuật tin cậy trên phần mềm GeoStudio - SLOPE/W, phục vụ kiểm chứng chính xác năng lực chịu ứng suất cắt của các tổ hợp kết cấu bờ kè.
  • Đề xuất hệ thống 3 phương án gia cố tối ưu gồm cọc bê tông cốt thép vuông tiết diện từ 350x350 mm đến 400x400 mm, cọc ván cừ dự ứng lực dạng chữ W và cừ ván thép Larsen IV, đảm bảo đưa hệ số an toàn vượt mốc 1,45.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc giúp địa phương quy hoạch bảo vệ đô thị ven kênh bền vững và định hình tiêu chuẩn thiết kế kè chống sạt lở cho toàn vùng Đồng bằng sông Cửu Long.

Các cơ quan chuyên môn và nhà đầu tư cần khẩn trương đưa phương án cọc cừ bê tông dự ứng lực vào kế hoạch vốn trung hạn để triển khai thi công thí điểm 500 m kè xung yếu đầu tiên trong mùa khô tới. Hãy liên hệ ngay với tác giả hoặc bộ môn Địa kỹ thuật để tiếp cận toàn văn hồ sơ bản vẽ và bảng số liệu mô phỏng chi tiết.