Tổng quan nghiên cứu

Đồng Tháp, một tỉnh thuộc Đồng bằng sông Cửu Long, có hệ thống sông Tiền dài 132 km cùng mạng lưới kênh rạch chằng chịt, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và xã hội địa phương. Tuy nhiên, tình trạng xói lở và sạt lở đê bao tại các huyện như Tân Hồng diễn ra nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn cho sản xuất nông nghiệp. Cụ thể, vào tháng 11/2010, đoạn đê bao Cả Mũi xã Tân Thành A bị sạt lở gần 64m, phục vụ cho 800 ha lúa vụ mùa; tháng 9/2015, đê bao An Phước sạt lở 108m, phục vụ 900 ha; tháng 8/2015, đê bao Tân Phước sạt lở chia làm 6 đoạn, mỗi đoạn khoảng 30m, phục vụ 900 ha lúa. Những sự cố này ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn đê điều và sản xuất nông nghiệp, đòi hỏi giải pháp chống xói lở hiệu quả, bền vững.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát địa chất đê bao, đánh giá tính chất cơ lý của vật liệu rơm cuộn và thiết kế giải pháp gia cường đê bao chống xói lở bằng vật liệu rơm cuộn tại khu vực Đồng Tháp. Nghiên cứu tập trung vào phân tích ổn định bờ kè, tính toán áp lực thủy động, thí nghiệm tính bền và khả năng chịu tác động thủy động của cuộn rơm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các vị trí đê bao bị sạt lở tại xã Tân Thành A, An Phước và Tân Phước, huyện Tân Hồng, trong giai đoạn từ 2010 đến 2016.

Giải pháp sử dụng rơm cuộn có ý nghĩa thực tiễn lớn do nguồn nguyên liệu dồi dào, chi phí thấp (khoảng 15 nghìn đồng/cuộn), dễ thi công và thân thiện môi trường. Nghiên cứu góp phần giảm thiểu thiệt hại mùa lũ, nâng cao hiệu quả quản lý, thiết kế và khai thác công trình đê bao tại Đồng Tháp, đồng thời mở rộng ứng dụng vật liệu sinh học trong bảo vệ bờ sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình phân tích ổn định bờ kè và đê bao, bao gồm:

  • Phương pháp phá hoại dạng cung trượt: Mô hình cung trượt tròn được sử dụng để xác định cơ chế phá hoại của mái dốc đê bao, dựa trên cân bằng mô men gây trượt và mô men kháng trượt. Hệ số an toàn (FS) được tính theo tỷ số giữa mô men kháng và mô men gây trượt, với điều kiện phá hoại xảy ra khi FS < 1.

  • Phương pháp chia nhỏ mặt trượt thông thường (Fellenius): Mặt trượt được chia thành nhiều phân tố độc lập, phân tích lực trượt và lực kháng trượt trên từng phân tố dựa trên công thức Mohr-Coulomb. Phương pháp này bỏ qua lực cắt và lực pháp tuyến giữa các phân tố, thường cho kết quả an toàn thấp hơn thực tế.

  • Phương pháp đơn giản Bishop (1954): Cải tiến từ phương pháp chia nhỏ mặt trượt, tính đến lực pháp tuyến nhưng bỏ qua lực cắt giữa các phân tố, thỏa mãn điều kiện cân bằng mô men. Phương pháp này được sử dụng phổ biến do tính chính xác và dễ áp dụng.

  • Phương pháp Spencer (1967): Phương pháp cân bằng giới hạn chặt chẽ nhất, xét đến cả lực pháp tuyến và lực cắt giữa các phân tố, thỏa mãn cân bằng lực theo cả phương ngang, phương đứng và mô men. Phương pháp này cho kết quả chính xác nhất trong phân tích ổn định mái dốc.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng các phương pháp tính toán áp lực thủy động dựa trên công thức năng lượng sóng và vận tốc sóng, nhằm đánh giá tác động của sóng và dòng chảy lên đê bao và vật liệu rơm cuộn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Mẫu đất lấy tại các vị trí đê bao bị sạt lở ở xã Tân Thành A, An Phước và Tân Phước, huyện Tân Hồng.
  • Dữ liệu thí nghiệm tính dung trọng tự nhiên, độ ẩm, giới hạn dẻo, giới hạn chảy, chỉ số dẻo và thành phần cỡ hạt của đất theo tiêu chuẩn TCVN 4196, 4197, 4198.
  • Thí nghiệm tính bền và độ nổi của cuộn rơm trong môi trường nước kéo dài 20 tuần.
  • Thí nghiệm mô hình thủy động tác động lên 1 cuộn và 3 cuộn rơm liên kết tam giác.

Phương pháp phân tích:

  • Phân tích ổn định bờ kè sử dụng phương pháp đơn giản Bishop và Spencer để tính hệ số an toàn.
  • Tính toán áp lực thủy động dựa trên công thức năng lượng sóng và vận tốc sóng, so sánh với vận tốc cho phép của các loại đất khảo sát.
  • Phân tích độ bền và khả năng chịu tác động thủy động của cuộn rơm dựa trên kết quả thí nghiệm thực tế.
  • Thiết kế biện pháp thi công gia cường đê bao sử dụng cuộn rơm dựa trên kết quả phân tích và thí nghiệm.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2010 đến 2016, bao gồm thu thập dữ liệu, thí nghiệm, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tình trạng xói lở đê bao nghiêm trọng: Đoạn đê bao Cả Mũi sạt lở 64m (2010), An Phước 108m (2015), Tân Phước chia làm 6 đoạn, mỗi đoạn khoảng 30m (2015), ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích canh tác khoảng 2.600 ha lúa vụ mùa.

  2. Đặc điểm địa chất đê bao: Đất đê bao chủ yếu là đất sét vô cơ ít dẻo, đất sét lẫn cát, bột đá và đất sét hữu cơ dẻo cao. Dung trọng tự nhiên dao động từ 1,40 đến 1,88 g/cm³, độ ẩm tự nhiên từ 2,5% đến 73,7%. Thành phần cỡ hạt chủ yếu là bột, cát rất mịn và sét, phù hợp với đặc điểm đất bờ sông Đồng Tháp.

  3. Tính bền và độ nổi của cuộn rơm: Thí nghiệm kéo dài 20 tuần cho thấy thể tích và độ nổi của cuộn rơm giảm dần theo thời gian, nhưng vẫn duy trì độ nổi khoảng 3-10 cm sau 90 ngày, cho phép sử dụng hiệu quả trong khoảng thời gian này. Độ bền liên kết của 3 cuộn rơm liên kết tam giác cao hơn nhiều so với 1 cuộn đơn, thể hiện khả năng chịu lực tốt hơn.

  4. Khả năng chịu tác động thủy động: Thí nghiệm mô hình sóng cho thấy năng lượng sóng và vận tốc sóng giảm đáng kể sau khi đi qua cuộn rơm. Ví dụ, vận tốc đỉnh sóng giảm từ 0,82 m/s xuống còn 0,38 m/s với 1 cuộn rơm, và giảm mạnh hơn với 3 cuộn liên kết tam giác, chứng tỏ hiệu quả giảm xói lở của vật liệu rơm cuộn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây xói lở đê bao là do sóng có vận tốc lớn, đặc biệt trong mùa lũ, tác động trực tiếp lên lớp đất sét bão hòa yếu, gây hiện tượng hàm ếch và sạt lở. Đặc điểm địa chất với đất sét ít dẻo và độ ẩm cao làm giảm tính ổn định của mái đê.

So với các phương pháp gia cường cứng như rọ đá, thảm đá hay tường chắn, giải pháp sử dụng rơm cuộn có ưu điểm chi phí thấp, dễ thi công và thân thiện môi trường. Kết quả thí nghiệm cho thấy rơm cuộn có khả năng duy trì độ bền và độ nổi trong môi trường nước trong khoảng 90 ngày, phù hợp với thời gian mùa lũ cao điểm.

Phân tích áp lực thủy động và mô hình sóng chứng minh rơm cuộn có khả năng giảm năng lượng sóng và vận tốc dòng chảy, từ đó giảm thiểu xói lở bờ sông và đê bao. So sánh với các nghiên cứu trước đây về sử dụng vật liệu sinh học như sơ dừa, cỏ Vetiver, rơm cuộn là giải pháp khả thi với nguồn nguyên liệu sẵn có tại địa phương.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể tích và độ nổi cuộn rơm theo thời gian, bảng so sánh vận tốc sóng trước và sau khi qua cuộn rơm, cũng như bảng phân tích đặc tính cơ lý đất đê bao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rơm cuộn trong gia cường đê bao: Khuyến cáo sử dụng cuộn rơm liên kết tam giác để gia cường bờ sông và đê bao, giảm thiểu xói lở trong mùa lũ. Thời gian sử dụng hiệu quả khoảng 90 ngày, phù hợp với mùa nước nổi. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý đê điều, các đơn vị thi công công trình thủy lợi. Timeline: triển khai ngay trong các mùa lũ tiếp theo.

  2. Thiết kế biện pháp thi công phù hợp: Áp dụng quy trình cuộn rơm phơi khô, bọc bao lưới cước, liên kết bằng dây buộc và cừ tràm hoặc cây tre để tăng độ bền cơ học. Chủ thể: Nhà thầu xây dựng, kỹ sư thiết kế. Timeline: chuẩn bị và đào tạo trước mùa mưa lũ.

  3. Theo dõi và bảo trì định kỳ: Thiết lập hệ thống giám sát tình trạng cuộn rơm sau khi thi công, kịp thời bổ sung hoặc thay thế khi phát hiện hư hỏng. Chủ thể: Ban quản lý đê điều, chính quyền địa phương. Timeline: kiểm tra hàng tháng trong mùa lũ.

  4. Nghiên cứu mở rộng và cải tiến vật liệu: Khuyến khích nghiên cứu bổ sung về khả năng kết hợp rơm cuộn với các vật liệu sinh học khác như sơ dừa, cỏ Vetiver để tăng cường hiệu quả lâu dài. Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học. Timeline: nghiên cứu trong 1-2 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý đê điều và thủy lợi: Nhận được giải pháp gia cường đê bao chi phí thấp, hiệu quả, giúp giảm thiểu thiệt hại mùa lũ và nâng cao an toàn công trình.

  2. Kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi: Áp dụng phương pháp thiết kế và thi công sử dụng vật liệu rơm cuộn, cải tiến kỹ thuật gia cường bờ sông phù hợp với điều kiện địa phương.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng dân dụng, thủy lợi: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp phân tích ổn định mái dốc, áp lực thủy động và ứng dụng vật liệu sinh học trong bảo vệ bờ sông.

  4. Chính quyền địa phương và cộng đồng dân cư vùng Đồng Tháp: Hiểu rõ nguyên nhân, tác động của xói lở đê bao và các giải pháp bảo vệ bền vững, từ đó phối hợp thực hiện các biện pháp phòng chống thiên tai hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn rơm cuộn làm vật liệu chống xói lở?
    Rơm cuộn có nguồn nguyên liệu dồi dào, chi phí thấp, dễ thi công và thân thiện môi trường. Thí nghiệm cho thấy rơm cuộn duy trì độ bền và độ nổi trong nước khoảng 90 ngày, phù hợp với mùa lũ cao điểm.

  2. Phương pháp phân tích ổn định bờ kè nào được sử dụng?
    Nghiên cứu áp dụng phương pháp đơn giản Bishop và Spencer, trong đó Spencer là phương pháp chặt chẽ nhất xét đến cân bằng lực và mô men, giúp đánh giá chính xác hệ số an toàn mái dốc.

  3. Đặc điểm địa chất đê bao tại Đồng Tháp như thế nào?
    Đất chủ yếu là đất sét vô cơ ít dẻo, đất sét lẫn cát và đất sét hữu cơ dẻo cao, dung trọng tự nhiên từ 1,40 đến 1,88 g/cm³, độ ẩm tự nhiên dao động lớn, ảnh hưởng đến tính ổn định của đê bao.

  4. Rơm cuộn có thể chịu được tác động thủy động trong bao lâu?
    Thí nghiệm cho thấy rơm cuộn liên kết tam giác có thể duy trì độ bền và độ nổi hiệu quả trong khoảng 90 ngày dưới tác động sóng và dòng chảy, đủ để bảo vệ đê bao trong mùa lũ.

  5. Giải pháp này có thể áp dụng ở những vùng khác không?
    Giải pháp phù hợp với các vùng có điều kiện địa chất tương tự và nguồn nguyên liệu rơm dồi dào. Cần nghiên cứu điều chỉnh thiết kế phù hợp với đặc điểm dòng chảy và địa chất từng vùng.

Kết luận

  • Đê bao tại Đồng Tháp, đặc biệt huyện Tân Hồng, đang chịu tác động xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hàng nghìn ha lúa vụ mùa.
  • Đất đê bao chủ yếu là đất sét ít dẻo, có độ ẩm cao, làm giảm tính ổn định mái đê dưới tác động thủy động.
  • Rơm cuộn là vật liệu sinh học hiệu quả, chi phí thấp, duy trì độ bền và độ nổi trong nước khoảng 90 ngày, phù hợp với mùa lũ.
  • Phương pháp phân tích ổn định mái dốc sử dụng Bishop và Spencer cho kết quả chính xác, hỗ trợ thiết kế gia cường đê bao bằng rơm cuộn.
  • Đề xuất áp dụng rơm cuộn liên kết tam giác trong gia cường đê bao, đồng thời theo dõi, bảo trì và nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả lâu dài.

Tiếp theo, cần triển khai thí điểm giải pháp tại các vị trí sạt lở trọng điểm, đồng thời đào tạo kỹ thuật thi công và giám sát hiệu quả thực tế. Mời các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm phối hợp thực hiện để bảo vệ bền vững hệ thống đê bao Đồng Tháp.