Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống sông, kênh, rạch tại Thành phố Hồ Chí Minh có tổng chiều dài hơn 5.000 km, đóng vai trò quan trọng trong phát triển đô thị, giao thương, cải thiện môi trường và cảnh quan. Tuy nhiên, địa chất chủ yếu là đất yếu, cùng với tác động của biến đổi khí hậu và đô thị hóa nhanh, đã gây ra nhiều vấn đề như sạt lở bờ kênh, ngập úng và ô nhiễm môi trường. Đến năm 2020, Thành phố ghi nhận 37 vị trí sạt lở với khoảng 1.222 hộ dân bị ảnh hưởng, trong khi công tác kiên cố hóa kênh rạch mới đạt khoảng 15% tổng số. Biến đổi khí hậu dự báo sẽ làm mực nước biển dâng khoảng 30 cm vào năm 2050 và 75 cm vào cuối thế kỷ 21, khiến diện tích ngập lụt có thể lên tới 23% diện tích Thành phố.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển giải pháp kè bê tông lắp ghép điển hình cho kênh rạch đô thị Thành phố Hồ Chí Minh, thích ứng với biến đổi khí hậu. Nghiên cứu tập trung vào phân tích trạng thái làm việc, tính ổn định và tối ưu hóa kích thước cấu kiện kè bê tông lắp ghép, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cho công trình. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn tại đoạn rạch Sơ Rơ, Quận 12, với chiều dài 20 m, địa hình thấp và nền đất yếu đặc trưng cho khu vực đô thị.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp giải pháp kè phù hợp với điều kiện địa chất, thủy văn và biến đổi khí hậu, góp phần bảo vệ bờ kênh, chống sạt lở, đồng thời tạo cảnh quan thân thiện môi trường, thúc đẩy phát triển đô thị bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu sử dụng hai mô hình phần tử hữu hạn chính để phân tích và đánh giá kết cấu kè bê tông lắp ghép:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Đây là mô hình đàn hồi-thuần dẻo, dựa trên tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb, mô tả quan hệ ứng suất-biến dạng của đất với 5 thông số cơ bản: mô đun đàn hồi (E), hệ số Poisson (\nu), lực dính (C), góc ma sát trong (\varphi) và góc dãn nở (\psi). Mô hình phù hợp cho tính toán sơ bộ và mô phỏng đất nền yếu, đặc biệt trong điều kiện đất không dính hoặc đất cát.

  • Phần mềm Plaxis 3D: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng cơ học đất và kết cấu kè, cho phép phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng và ổn định công trình trong không gian ba chiều. Plaxis 3D sử dụng mô hình MC để mô phỏng đất nền, đồng thời tính toán tương tác giữa cấu kiện bê tông lắp ghép và nền đất.

  • Phần mềm Ansys: Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn đa năng, được sử dụng để kiểm tra độ bền và tối ưu hóa kích thước cấu kiện bê tông lắp ghép. Ansys mô phỏng ứng suất, biến dạng và phân bố lực trong kết cấu bê tông, giúp đánh giá khả năng chịu lực và đề xuất thiết kế tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: tần suất mực nước thủy triều, áp lực đất chủ động, hệ số ổn định trượt và lật, mô đun đàn hồi, lực dính đất, góc ma sát trong, và các thông số địa chất đặc trưng cho khu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thủy văn mực nước triều thu thập trong 44 năm (1977-2020) tại trạm Phú An, số liệu địa chất lấy từ khảo sát tại rạch Sơ Rơ, Quận 12, cùng các thông số kỹ thuật bê tông và đất nền.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp thống kê Pearson III để xác định tần suất và mức độ biến động mực nước lớn nhất và nhỏ nhất, từ đó lựa chọn tần suất thiết kế 2% (chu kỳ 50 năm) làm cơ sở tính toán.

  • Phương pháp mô hình toán: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn trong Plaxis 3D để phân tích trạng thái làm việc và ổn định kè bê tông lắp ghép, đồng thời sử dụng Ansys để kiểm tra độ bền và tối ưu hóa kích thước cấu kiện.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tính toán tập trung trên đoạn kè dài 20 m tại rạch Sơ Rơ, với các thông số địa chất và thủy văn đặc trưng, đại diện cho điều kiện thực tế của kênh rạch đô thị Thành phố Hồ Chí Minh.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2020 đến tháng 8/2021, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tần suất mực nước thủy triều: Phân tích số liệu cho thấy mực nước triều cao nhất có thể đạt 1,86 m sau 100 năm, 1,82 m sau 50 năm, và 1,77 m sau 33 năm. Mực nước thấp nhất có thể xuống tới -2,69 m sau 100 năm và -2,56 m sau 50 năm. Tần suất 2% (chu kỳ 50 năm) được chọn làm thông số thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế.

  2. Kích thước cấu kiện kè bê tông lắp ghép: Qua tính toán sơ bộ, cấu kiện có chiều cao khoảng 2,95 m, chiều rộng đáy 1,77 m, chiều dài 1,5 m, đảm bảo hệ số ổn định trượt (K_t = 1,79) và ổn định lật (K_l = 3,19), vượt yêu cầu theo TCVN 9902 – 2013.

  3. Phân tích trạng thái làm việc bằng Plaxis 3D: Mô hình cho thấy kè bê tông lắp ghép có khả năng chịu lực tốt, chuyển vị ngang và đứng trong giới hạn cho phép, hệ số an toàn sau thi công đạt trên 1,5, đảm bảo ổn định công trình trong điều kiện thủy lực và địa chất hiện tại.

  4. Kiểm tra độ bền và tối ưu hóa bằng Ansys: Kết quả phân tích ứng suất và biến dạng cho thấy cấu kiện bê tông lắp ghép có độ bền cao, phân bố ứng suất đều, không xuất hiện điểm tập trung ứng suất nguy hiểm. Việc tối ưu kích thước cấu kiện giúp giảm vật liệu sử dụng mà vẫn đảm bảo an toàn, tiết kiệm chi phí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả kè bê tông lắp ghép là khả năng tiếp xúc trực tiếp với đất nền, tận dụng sức chịu tải của nền đất yếu, giảm thiểu số lượng cọc móng so với thiết kế truyền thống. So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào kè bê tông toàn khối hoặc kè mái nghiêng, giải pháp lắp ghép cho phép thi công nhanh, kiểm soát chất lượng tốt và thích ứng linh hoạt với điều kiện địa hình phức tạp.

Kết quả mô phỏng Plaxis 3D và Ansys tương đồng, khẳng định tính chính xác của phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong đánh giá kết cấu kè bê tông lắp ghép. Các biểu đồ chuyển vị, ứng suất và hệ số an toàn có thể được trình bày qua bảng số liệu và đồ thị để minh họa rõ ràng hơn.

So với các công trình kè bê tông cốt sợi phi kim tại Bình Tân hay kè bê tông lắp ghép tại Hồ Gươm, giải pháp nghiên cứu tại rạch Sơ Rơ phù hợp với điều kiện địa chất và thủy văn đặc thù của Thành phố Hồ Chí Minh, đồng thời đáp ứng yêu cầu thích ứng với biến đổi khí hậu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thiết kế kè bê tông lắp ghép: Khuyến nghị các dự án kiên cố hóa kênh rạch đô thị sử dụng cấu kiện bê tông lắp ghép với kích thước và thiết kế tối ưu đã được nghiên cứu, nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Thời gian áp dụng trong 5 năm tới, chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn và nhà thầu xây dựng.

  2. Sử dụng phần mềm phân tích hiện đại: Khuyến khích sử dụng Plaxis 3D và Ansys trong thiết kế và đánh giá kết cấu kè để đảm bảo tính chính xác và an toàn công trình, đồng thời tối ưu hóa vật liệu và chi phí. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư trong 1-2 năm tới để nâng cao năng lực ứng dụng.

  3. Tăng cường khảo sát địa chất và thủy văn: Thực hiện khảo sát chi tiết địa chất nền và phân tích tần suất mực nước thủy triều tại các khu vực kênh rạch khác nhau để điều chỉnh thiết kế phù hợp, đảm bảo khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu. Chủ thể là các cơ quan quản lý và đơn vị nghiên cứu, thực hiện liên tục hàng năm.

  4. Phát triển vật liệu bê tông thân thiện môi trường: Khuyến nghị sử dụng bê tông cường độ cao, bê tông tái chế và các phụ gia khoáng để giảm tác động môi trường, tăng tuổi thọ công trình. Thời gian triển khai trong 3-5 năm, phối hợp giữa ngành xây dựng và các nhà sản xuất vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và hạ tầng đô thị: Nghiên cứu cung cấp phương pháp thiết kế kè bê tông lắp ghép tối ưu, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn công trình trong điều kiện địa chất yếu và biến đổi khí hậu.

  2. Cơ quan quản lý đô thị và môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy hoạch và kế hoạch kiên cố hóa kênh rạch, đồng thời quản lý hiệu quả các dự án chống sạt lở và ngập úng.

  3. Nhà thầu xây dựng và sản xuất cấu kiện bê tông: Áp dụng công nghệ lắp ghép và tối ưu hóa kích thước cấu kiện, nâng cao năng lực thi công nhanh, kiểm soát chất lượng và giảm chi phí.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Tài liệu tham khảo về ứng dụng phần mềm phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu bê tông lắp ghép, cũng như các phương pháp khảo sát và thiết kế thích ứng với biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải pháp kè bê tông lắp ghép có ưu điểm gì so với kè truyền thống?
    Kè bê tông lắp ghép tận dụng được sức chịu tải của đất nền, giảm số lượng cọc móng, thi công nhanh, kiểm soát chất lượng tốt và tiết kiệm chi phí so với kè bê tông toàn khối hoặc kè mái nghiêng.

  2. Phần mềm Plaxis 3D và Ansys được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 3D mô phỏng tương tác đất-kết cấu, đánh giá ổn định và chuyển vị; Ansys kiểm tra độ bền, phân bố ứng suất và tối ưu hóa kích thước cấu kiện bê tông lắp ghép.

  3. Tại sao chọn tần suất mực nước 2% (chu kỳ 50 năm) làm thông số thiết kế?
    Phân tích số liệu thủy văn cho thấy tần suất 2% là mức phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế, cân bằng giữa chi phí đầu tư và khả năng chịu tải của công trình trong điều kiện biến đổi khí hậu.

  4. Giải pháp này có thể áp dụng cho các khu vực khác ngoài rạch Sơ Rơ không?
    Có thể áp dụng cho các kênh rạch đô thị có điều kiện địa chất và thủy văn tương tự, tuy nhiên cần khảo sát chi tiết để điều chỉnh thiết kế phù hợp.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa kích thước cấu kiện bê tông lắp ghép?
    Sử dụng phần mềm Ansys để phân tích ứng suất và biến dạng, từ đó điều chỉnh kích thước cấu kiện nhằm đảm bảo an toàn, giảm vật liệu sử dụng và tiết kiệm chi phí thi công.

Kết luận

  • Hệ thống kênh rạch Thành phố Hồ Chí Minh có vai trò quan trọng nhưng đang đối mặt với nhiều thách thức do địa chất yếu và biến đổi khí hậu.
  • Giải pháp kè bê tông lắp ghép được nghiên cứu tại rạch Sơ Rơ cho thấy khả năng chịu lực tốt, ổn định và hiệu quả kinh tế cao.
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn bằng Plaxis 3D và Ansys là công cụ hiệu quả để đánh giá và tối ưu thiết kế kết cấu kè.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi giải pháp kè bê tông lắp ghép trong các dự án kiên cố hóa kênh rạch đô thị, kết hợp phát triển vật liệu thân thiện môi trường.
  • Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo kỹ thuật, khảo sát mở rộng và triển khai thực tế nhằm nâng cao khả năng thích ứng của hệ thống kênh rạch với biến đổi khí hậu.

Hành động ngay để ứng dụng giải pháp kè bê tông lắp ghép, góp phần xây dựng đô thị xanh, bền vững và an toàn cho Thành phố Hồ Chí Minh.