Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hệ thống sông ngòi dày đặc với hơn 2.360 con sông, kênh lớn nhỏ, tổng chiều dài khoảng 41.900 km, trong đó có 392 con sông, kênh được quản lý chính thức. Lưu lượng nước trung bình của các sông và kênh đạt khoảng 26.600 m³/s, với phần lớn dòng chảy từ nước ngoài chiếm 61,5%. Tỉnh Nghệ An, nằm ở vùng Bắc Trung Bộ, có hệ thống sông suối dài 9.828 km, mật độ trung bình 0,7 km/km², trong đó sông Lam là con sông lớn nhất với chiều dài 361 km trên địa bàn tỉnh. Tỉnh này thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt, bão và dòng chảy xiết, gây ra tình trạng sạt lở bờ sông nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đất sản xuất và sinh hoạt của người dân.

Hiện tượng sạt trượt mái kè là vấn đề phổ biến, đặc biệt tại các khu vực có địa chất yếu và dòng thấm hoạt động mạnh như huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An. Sự cố này làm giảm hiệu quả sử dụng công trình, gây lãng phí nguồn vốn đầu tư và ảnh hưởng đến an toàn dân cư. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích nguyên nhân gây sạt trượt mái kè tại xã Hưng Lĩnh, huyện Hưng Nguyên, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục sự cố, đảm bảo ổn định lâu dài cho công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn kè từ K68+914 đến K69+414, với thời gian khảo sát và phân tích trong giai đoạn gần đây, nhằm cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc sửa chữa, nâng cấp các công trình kè tương tự tại Nghệ An.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về ổn định mái kè và dòng thấm trong môi trường đất rỗng. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết ổn định mái kè: Phân tích các trạng thái ổn định cục bộ theo phương ngang và phương đứng, cũng như ổn định tổng thể của công trình. Các phương pháp tính toán như phương pháp mặt trượt theo Bishop và phương pháp cân bằng giới hạn được sử dụng để xác định hệ số an toàn chống trượt mái kè. Khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động, áp lực nước thấm, lực tác động của sóng và dòng chảy, cùng các trạng thái phá hoại như trượt mái, xói chân kè và biến dạng kết cấu.

  2. Lý thuyết dòng thấm trong đất rỗng: Dựa trên định luật Darcy và các giả thiết cơ bản về môi trường đồng nhất, đẳng hướng, dòng thấm ổn định. Phân loại dòng thấm có áp và không có áp, cùng các phương pháp giải phương trình Laplace để xác định áp lực và vận tốc thấm trong đất. Lý thuyết này giúp đánh giá tác động của dòng thấm lên sự ổn định mái kè, đặc biệt trong điều kiện địa chất yếu và dòng chảy mạnh.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: áp lực đất chủ động, áp lực nước thấm, hệ số an toàn chống trượt, dòng thấm có áp, dòng thấm không có áp, và các phương pháp tính toán ổn định mái kè.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế, thu thập dữ liệu hiện trường và phân tích lý thuyết. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào đoạn kè dài khoảng 500 m tại xã Hưng Lĩnh, huyện Hưng Nguyên, tỉnh Nghệ An. Dữ liệu thu thập bao gồm thông số địa chất, thủy văn, lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, và hiện trạng công trình kè.

Phân tích ổn định mái kè được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng Geoslope, áp dụng các phương pháp tính toán như phương pháp cân bằng giới hạn và phần tử hữu hạn. Các mô hình toán học được xây dựng dựa trên điều kiện thực tế về địa chất, dòng chảy và tác động sóng. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phân tích mô hình, tính toán và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân sạt trượt mái kè: Kết quả phân tích cho thấy nguyên nhân chính là do tác động của dòng thấm mạnh và xói chân kè, làm tăng áp lực nước trong đất và giảm hệ số an toàn chống trượt mái kè xuống dưới mức cho phép (hệ số an toàn < 1,0). Lực ngang do áp lực đất chủ động và áp lực nước thấm tăng theo luỹ thừa bậc hai của chiều sâu, gây ra hiện tượng trượt mái và xói mòn chân kè.

  2. Ảnh hưởng của dòng chảy và sóng: Vận tốc dòng chảy tại khu vực nghiên cứu đạt khoảng 2,5 m/s, kết hợp với sóng do gió Tây Nam hoạt động mạnh làm tăng áp lực tác động lên mái kè, gây bong tróc lớp bảo vệ và phá vỡ liên kết giữa các viên đá lát mái. Sóng có chu kỳ từ 8 đến 15 giây, với chiều cao sóng leo lên mái kè được xác định theo tiêu chuẩn ngành, làm gia tăng nguy cơ hư hỏng kết cấu.

  3. Hiệu quả các giải pháp xử lý: Hai phương án xử lý được đề xuất và tính toán: (1) bóc bỏ lớp đá lát khan, đắp bù đất tạo mái với độ dày 2,0 m, đầm chặt với hệ số K=0,9, rải vải địa kỹ thuật và lát lại lớp đá; (2) bóc bỏ toàn bộ lớp đất từ cao trình +1,00 m, xây tường bê tông cốt thép đến cao trình +2,5 m, tạo mái kè khung bê tông trồng cỏ vuốt lên đỉnh kè cao trình +3,5 m. Kết quả tính toán cho thấy phương án 2 có hệ số an toàn cao hơn 15% so với phương án 1, đồng thời giảm chuyển vị ngang và đứng của mái kè.

  4. Tác động của địa chất yếu: Địa chất khu vực chủ yếu là đất cát hạt mịn, dễ bị lôi cuốn bởi dòng thấm và dòng chảy xiết. Việc sử dụng lớp lọc ngược và vải địa kỹ thuật giúp hạn chế sự xói mòn và tăng cường ổn định mái kè. Tuy nhiên, nếu không xử lý đúng kỹ thuật, hiện tượng sụt lún và biến dạng kết cấu vẫn xảy ra, làm giảm tuổi thọ công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sạt trượt mái kè tại Hưng Lĩnh chủ yếu do sự kết hợp của dòng thấm mạnh, xói chân kè và tác động của sóng, dòng chảy xiết. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với nhận định rằng dòng thấm và áp lực nước trong đất là yếu tố quyết định đến sự ổn định mái kè. Việc áp dụng phần mềm Geoslope và phương pháp cân bằng giới hạn giúp mô phỏng chính xác các trạng thái ổn định và dự báo được nguy cơ sạt trượt.

Biểu đồ chuyển vị ngang và đứng của mái kè theo các phương án xử lý thể hiện rõ sự khác biệt về hiệu quả kỹ thuật, giúp nhà quản lý lựa chọn giải pháp phù hợp. So với các công trình kè tại các tỉnh Bắc Trung Bộ khác, giải pháp kết hợp bê tông cốt thép và trồng cỏ trên mái kè được đánh giá cao về tính bền vững và thân thiện với môi trường.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, cung cấp cơ sở khoa học cho việc sửa chữa, nâng cấp các công trình kè tại Nghệ An và các vùng có điều kiện địa chất, thủy văn tương tự. Đồng thời, nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư, giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ đất sản xuất, sinh kế của người dân.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện bóc bỏ lớp đá lát khan và đắp bù đất tạo mái kè với độ dày 2,0 m, đầm chặt đạt hệ số K=0,9, kết hợp rải vải địa kỹ thuật để tăng cường khả năng thoát nước và ổn định mái kè. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do Ban Quản lý dự án và đơn vị thi công chịu trách nhiệm.

  2. Xây dựng tường bê tông cốt thép đến cao trình +2,5 m và tạo mái kè khung bê tông trồng cỏ nhằm tăng cường độ bền kết cấu và giảm áp lực dòng thấm. Giải pháp này nên áp dụng cho các đoạn kè có địa chất yếu và chịu tác động mạnh của dòng chảy, hoàn thành trong 9 tháng.

  3. Tăng cường công tác giám sát và bảo trì định kỳ công trình kè, đặc biệt trong mùa mưa lũ, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu sạt trượt và hư hỏng để kịp thời xử lý. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý địa phương phối hợp với đơn vị thi công.

  4. Áp dụng công nghệ mô phỏng và phần mềm tính toán hiện đại trong thiết kế và đánh giá ổn định mái kè, giúp dự báo chính xác và lựa chọn giải pháp tối ưu. Đào tạo cán bộ kỹ thuật và chuyên gia địa phương về các công cụ này trong vòng 12 tháng.

  5. Khuyến khích nghiên cứu bổ sung về tác động của dòng thấm và sóng lên công trình kè tại các vùng có điều kiện địa chất phức tạp, nhằm hoàn thiện cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho công tác thiết kế và thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và kỹ sư công trình thủy lợi: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán ổn định mái kè, giúp họ lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp cho các công trình bảo vệ bờ sông.

  2. Cơ quan quản lý và ban quản lý dự án xây dựng công trình thủy lợi: Thông tin về nguyên nhân sạt trượt và các giải pháp xử lý giúp nâng cao hiệu quả quản lý, giám sát và bảo trì công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành xây dựng công trình thủy lợi, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích về lý thuyết dòng thấm, ổn định mái kè và ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại.

  4. Người dân và cộng đồng sống ven sông tại Nghệ An và các vùng tương tự: Hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp khắc phục sự cố sạt trượt mái kè giúp nâng cao nhận thức, phối hợp với chính quyền trong công tác bảo vệ công trình và đất sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây sạt trượt mái kè là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do tác động của dòng thấm mạnh và xói chân kè, làm tăng áp lực nước trong đất và giảm hệ số an toàn chống trượt mái kè. Ngoài ra, sóng và dòng chảy xiết cũng góp phần làm hư hỏng kết cấu mái kè.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá ổn định mái kè?
    Phương pháp cân bằng giới hạn và phần tử hữu hạn được áp dụng thông qua phần mềm Geoslope, giúp mô phỏng các trạng thái ổn định và dự báo nguy cơ sạt trượt chính xác.

  3. Giải pháp xử lý nào hiệu quả nhất cho sự cố sạt trượt mái kè tại Hưng Lĩnh?
    Giải pháp xây dựng tường bê tông cốt thép đến cao trình +2,5 m kết hợp tạo mái kè khung bê tông trồng cỏ được đánh giá cao về độ bền và khả năng ổn định, giảm chuyển vị mái kè hiệu quả hơn so với phương án đắp bù đất và lát đá.

  4. Tại sao cần sử dụng vải địa kỹ thuật trong xử lý mái kè?
    Vải địa kỹ thuật giúp tăng cường khả năng thoát nước, hạn chế sự lôi cuốn các hạt đất, giảm hiện tượng xói mòn và tăng cường ổn định mái kè, đặc biệt trong điều kiện địa chất yếu.

  5. Làm thế nào để giám sát và bảo trì công trình kè hiệu quả?
    Cần tổ chức kiểm tra định kỳ, đặc biệt trong mùa mưa lũ, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, phối hợp với đơn vị thi công để xử lý kịp thời, đồng thời áp dụng công nghệ mô phỏng để dự báo và phòng ngừa sự cố.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ nguyên nhân sạt trượt mái kè tại xã Hưng Lĩnh, huyện Hưng Nguyên chủ yếu do dòng thấm mạnh, xói chân kè và tác động của sóng, dòng chảy xiết.
  • Hai phương án xử lý được đề xuất, trong đó giải pháp xây tường bê tông cốt thép kết hợp trồng cỏ trên mái kè cho hiệu quả ổn định cao hơn.
  • Việc áp dụng phần mềm Geoslope và các phương pháp tính toán hiện đại giúp mô phỏng chính xác và lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, góp phần nâng cao hiệu quả đầu tư và bảo vệ đất sản xuất, sinh kế người dân tại Nghệ An.
  • Đề xuất triển khai các giải pháp trong vòng 6-9 tháng, đồng thời tăng cường giám sát, bảo trì và nghiên cứu bổ sung để đảm bảo ổn định lâu dài cho công trình.

Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà thiết kế, quản lý dự án và cộng đồng địa phương trong công tác bảo vệ bờ sông và phát triển bền vững vùng ven sông Nghệ An.