Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam có đường bờ biển dài với tổng chiều dài đê biển và đê cửa sông khoảng 2.700 km, trải dài từ Quảng Ninh đến Kiên Giang, trong đó đê biển miền Bắc chiếm khoảng 719 km. Hệ thống đê biển đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản và phát triển kinh tế vùng ven biển. Tuy nhiên, nhiều đoạn đê biển hiện nay đang đối mặt với tình trạng xói lở nghiêm trọng, đặc biệt tại các tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định với tốc độ xói lở có thể lên tới 15-50 m/năm. Đặc biệt, tuyến đê biển Nam Đình Vũ – Hải Phòng là tuyến đê bao lấn biển dài nhất Việt Nam với tổng chiều dài 14 km, bảo vệ trực tiếp khoảng 2.100 ha vùng lấn biển và hơn 3.000 ha vùng bờ biển phía trong, phục vụ phát triển khu công nghiệp tập trung.

Nền đất yếu với lớp bùn sét có chiều sâu từ 15 đến 23 m, trạng thái chảy, cùng với tác động mạnh của sóng, gió và môi trường biển, đặt ra nhiều thách thức trong thiết kế và thi công đê biển. Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất các giải pháp kỹ thuật xây dựng đê biển trên nền đất yếu, đảm bảo an toàn, ổn định và kinh tế, áp dụng cho đê Nam Đình Vũ – Hải Phòng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các kết cấu đê biển, phân tích ứng suất, biến dạng và ổn định công trình trong điều kiện địa chất và thủy hải văn đặc thù của khu vực.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả bảo vệ vùng ven biển, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế – xã hội bền vững, đồng thời ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

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 sau:

  • Lý thuyết ổn định mái dốc: Phân tích sự mất ổn định của đê biển trên nền đất yếu thông qua các phương pháp cân bằng giới hạn (Fellenius, Bishop, Spencer) và phân tích giới hạn bằng phần tử hữu hạn. Hệ số an toàn ổn định được xác định dựa trên tỷ số mômen chống trượt và mômen gây trượt, áp dụng thuyết Coulomb về cường độ chống cắt của đất.

  • Mô hình tính toán ứng suất và biến dạng nền đất: Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng chuyển vị nền đê trong quá trình thi công và khai thác, đánh giá ảnh hưởng của các giải pháp gia cố nền và kết cấu đê.

  • Khái niệm đê chịu sóng tràn (ORD): Đề cập đến thiết kế đê biển có khả năng chịu được sóng tràn qua mà không bị phá hủy, kết hợp với vùng đệm đa chức năng phía sau đê nhằm giảm thiểu thiệt hại.

  • Khái niệm đê an toàn cao: Mở rộng mặt cắt ngang đê với mái thoải và chân đê rộng nhằm tăng khả năng ổn định và giảm nguy cơ vỡ đê, đồng thời kết hợp các mục đích sử dụng đa năng.

Các khái niệm chính bao gồm: đất yếu (đất sét, bùn sét, đất phèn), hệ số an toàn ổn định, sóng tràn, mái đê mái nghiêng, tường cừ bê tông, xà lan bê tông cốt thép, và công nghệ gia cố nền đất yếu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất, thủy hải văn, khí tượng, vật liệu xây dựng từ khảo sát thực địa tại khu vực Nam Đình Vũ – Hải Phòng; tổng hợp tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước; số liệu tính toán mô phỏng từ phần mềm chuyên dụng.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phương pháp điều tra khảo sát thực tế, phân tích lý thuyết, mô hình toán học và mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá ứng suất, biến dạng và ổn định đê biển trên nền đất yếu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Khảo sát các điểm khoan địa chất dọc tuyến đê, tập trung vào các lớp đất yếu có chiều sâu từ 15-23 m; lựa chọn các phương án kết cấu đê phù hợp với điều kiện địa chất và thủy hải văn.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2014, bao gồm giai đoạn khảo sát, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, thực tiễn và khả thi trong điều kiện thi công và vận hành đê biển tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm nền đất yếu tại Nam Đình Vũ: Lớp đất bùn sét mềm, trạng thái chảy, có chiều sâu trung bình từ 15 đến 23 m, với lực dính không thoát nước Su ≤ 0,25 daN/cm² và góc ma sát trong từ 0° đến 10°. Đất có hàm lượng hữu cơ cao, dễ bị biến dạng lớn và lún nhiều khi chịu tải trọng đê. (Bảng 2.1)

  2. Phân tích ổn định mái dốc đê: Phương pháp cân bằng giới hạn cho thấy hệ số an toàn ổn định mái dốc đê biển Nam Đình Vũ dao động trong khoảng 1,09 đến 1,28 tùy theo phương án kết cấu và gia cố nền. Phương án đê mái nghiêng kết hợp gia cố nền và mái có hệ số an toàn cao nhất (khoảng 1,28), đảm bảo ổn định trong điều kiện sóng bão và tải trọng thủy lực.

  3. So sánh các giải pháp kết cấu đê biển trên nền đất yếu:

    • Đê có lõi bằng vật liệu tại chỗ kết hợp gia cố nền và mái: ổn định tốt, tận dụng vật liệu địa phương, nhưng khối lượng vật liệu lớn và thi công chậm.
    • Đê bằng tường cừ kết hợp cọc xiên: thi công nhanh, chi phí thấp, nhưng hạn chế về bề rộng mặt đê và khả năng chịu lực.
    • Đê bằng hệ thống xà lan bê tông cốt thép nối tiếp: kết cấu kiên cố, thi công nhanh, phù hợp cột nước sâu, chi phí cao.
    • Đê có cấu tạo mái nghiêng kết hợp tường cừ: phù hợp nền đất yếu, tận dụng cát bơm, kỹ thuật thi công phức tạp.
    • Đê có cấu tạo bằng hệ thống xà lan tạo chân: thi công đơn giản, giảm vật liệu đắp, yêu cầu kỹ thuật cao khi hạ chìm.

  4. Ảnh hưởng của sóng tràn và gió: Sóng bão và gió mạnh là nguyên nhân chính gây xói lở, mất ổn định mái đê. Việc áp dụng đê chịu sóng tràn với mái cỏ gia cố địa kỹ thuật giúp tăng khả năng chống xói, giảm thiểu thiệt hại do sóng tràn qua đê. Mái cỏ có thể chịu lưu lượng sóng tràn trung bình lên đến 50 l/s/m với vận tốc 4-6 m/s trong 6 giờ mà không bị hư hại đáng kể.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn kết cấu đê biển phù hợp với điều kiện nền đất yếu và thủy hải văn là yếu tố quyết định đến sự ổn định và bền vững của công trình. Phương án đê mái nghiêng kết hợp gia cố nền và mái được đánh giá cao về mặt kỹ thuật và kinh tế, phù hợp với điều kiện địa chất Nam Đình Vũ. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả hệ số an toàn ổn định mái dốc tương đương hoặc cao hơn, thể hiện tính khả thi của giải pháp.

Việc áp dụng công nghệ mới như gia cố bằng vải địa kỹ thuật, sử dụng mái cỏ chịu sóng tràn, và kết cấu xà lan bê tông cốt thép nối tiếp giúp giảm thiểu vật liệu, tăng tốc độ thi công và thân thiện với môi trường. So với các tuyến đê truyền thống ở Việt Nam, các giải pháp này nâng cao khả năng chống chịu thiên tai, giảm thiểu rủi ro vỡ đê và thiệt hại kinh tế – xã hội.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số an toàn của các phương án kết cấu, bảng thống kê chỉ tiêu cơ lý đất nền, và sơ đồ mô phỏng chuyển vị nền đê theo từng giai đoạn thi công, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương án đê mái nghiêng kết hợp gia cố nền và mái: Tập trung sử dụng vật liệu tại chỗ kết hợp gia cố nền bằng cọc xi măng đất hoặc cọc cát, đảm bảo hệ số an toàn ổn định ≥ 1,25. Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, do chủ đầu tư và nhà thầu thi công.

  2. Sử dụng mái cỏ gia cố bằng lưới địa kỹ thuật: Gia tăng khả năng chống xói do sóng tràn, giảm chi phí bảo dưỡng và thân thiện môi trường. Chủ thể thực hiện là đơn vị thiết kế và quản lý công trình, áp dụng trong giai đoạn hoàn thiện và vận hành.

  3. Ứng dụng công nghệ thi công xà lan bê tông cốt thép nối tiếp: Phù hợp với các đoạn đê có cột nước sâu, kết hợp làm đường giao thông trên đê, rút ngắn thời gian thi công khoảng 20-30%. Chủ thể là nhà thầu thi công chuyên ngành.

  4. Tăng cường khảo sát địa chất và giám sát thi công: Đảm bảo thu thập đầy đủ số liệu về đặc tính đất nền, áp lực nước lỗ rỗng, biến dạng nền trong suốt quá trình thi công để điều chỉnh kịp thời các biện pháp kỹ thuật. Chủ thể là đơn vị tư vấn và quản lý dự án.

  5. Xây dựng vùng đệm đa chức năng phía sau đê: Quy hoạch không gian sử dụng linh hoạt nhằm giảm thiểu thiệt hại khi có sóng tràn qua đê, đồng thời phát triển kinh tế – xã hội bền vững. Chủ thể là chính quyền địa phương và các nhà quy hoạch.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách vùng ven biển: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển bền vững, phòng chống thiên tai và quản lý tài nguyên ven biển.

  2. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, đê biển: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật, công nghệ mới trong thiết kế và thi công đê biển trên nền đất yếu, nâng cao hiệu quả và độ bền công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng thủy lợi, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo về lý thuyết ổn định mái dốc, phương pháp phân tích ứng suất biến dạng và các công nghệ gia cố nền đất yếu.

  4. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng khu công nghiệp ven biển: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và giải pháp thi công đê biển bảo vệ khu vực đầu tư, đảm bảo an toàn và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nền đất yếu lại ảnh hưởng lớn đến thiết kế đê biển?
    Nền đất yếu có sức chịu tải thấp, dễ bị lún và biến dạng lớn khi chịu tải trọng đê, gây mất ổn định mái dốc và nguy cơ vỡ đê. Do đó, cần thiết kế kết cấu và gia cố nền phù hợp để đảm bảo an toàn công trình.

  2. Phương pháp phân tích ổn định mái dốc nào được sử dụng phổ biến?
    Phương pháp cân bằng giới hạn như Bishop và Fellenius được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản và hiệu quả, kết hợp với phân tích phần tử hữu hạn để mô phỏng chi tiết ứng suất và biến dạng.

  3. Giải pháp đê chịu sóng tràn có ưu điểm gì?
    Đê chịu sóng tràn cho phép sóng vượt qua đê mà không gây phá hủy, giảm thiểu thiệt hại nghiêm trọng so với vỡ đê, đồng thời kết hợp vùng đệm đa chức năng phía sau để giảm tác động ngập lụt.

  4. Tại sao nên sử dụng mái cỏ gia cố địa kỹ thuật cho đê biển?
    Mái cỏ gia cố có khả năng chống xói tốt, thân thiện môi trường, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng tính bền vững của đê dưới tác động sóng tràn.

  5. Các công nghệ thi công đê biển hiện đại có điểm gì nổi bật?
    Ứng dụng công nghệ xà lan bê tông cốt thép, cọc xi măng đất, vải địa kỹ thuật giúp tăng tốc độ thi công, giảm vật liệu, nâng cao độ ổn định và thân thiện với môi trường so với phương pháp truyền thống.

Kết luận

  • Đê biển Nam Đình Vũ – Hải Phòng xây dựng trên nền đất yếu với lớp bùn sét sâu 15-23 m, đòi hỏi giải pháp kỹ thuật đặc thù để đảm bảo ổn định và an toàn.
  • Phương án đê mái nghiêng kết hợp gia cố nền và mái được đánh giá cao về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế, với hệ số an toàn ổn định đạt khoảng 1,28.
  • Áp dụng công nghệ mái cỏ gia cố địa kỹ thuật và kết cấu xà lan bê tông cốt thép giúp tăng khả năng chống xói, giảm chi phí và thời gian thi công.
  • Nghiên cứu góp phần cập nhật phương pháp thiết kế đê biển hiện đại, phù hợp với điều kiện Việt Nam và xu hướng biến đổi khí hậu toàn cầu.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong vòng 2-3 năm, đồng thời tăng cường giám sát và quản lý kỹ thuật trong quá trình thi công và vận hành.

Để tiếp tục phát triển, các nhà quản lý và kỹ sư nên phối hợp triển khai nghiên cứu mở rộng, áp dụng công nghệ mới và đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu trong lĩnh vực xây dựng đê biển trên nền đất yếu.