Nghiên cứu giải pháp ổn định mái bờ kênh Văn Phong Bình Định theo điều kiện địa kỹ thuật

• Tác giả: Lê Thành Công
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hoàng
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Giải Pháp Ổn Định Mái Bờ Kênh Văn Phong Bình Định Trong Điều Kiện Địa Kỹ Thuật Khác Nhau
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC HỒ CHỨA, SÔNG VÀ BỜ KÊNH
• 1.1. Phân loại trượt lở
• 1.2. Một số nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Một số nghiên cứu trong nước
• 1.4. Một số biện pháp gia cố mái dốc của các công trình thủy lợi
• 1.5. Điều kiện địa hình, khí tượng - thủy văn, địa chất công trình khu vực nghiên cứu
• 1.5.1. Hệ thống kênh chính Văn Phong
• 1.5.2. Điều kiện địa hình và thủy văn
• 1.5.3. Đặc điểm lưu vực và điều kiện khí tượng
• 1.5.4. Đặc điểm địa chất
• 1.5.5. Điều kiện địa chất công trình
• 1.5.6. Điều kiện địa chất thủy văn
• 1.5.7. Khả năng suy giảm chỉ tiêu cơ lý đất
• 2. CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH MÁI BỜ KÊNH VĂN PHONG - BÌNH ĐỊNH Ở CÁC ĐIỀU KIỆN KHÁC NHAU
• 2.1. Yêu cầu công trình đối với kênh dẫn chính Văn Phong
• 2.2. Phương pháp Bishop phân tích ổn định trượt mái dốc
• 2.3. Độ ổn định trượt mái dốc kênh Văn Phong ở các điều kiện khác nhau
• 2.3.1. Điều kiện đất có độ ẩm tự nhiên, không có nước ngầm
• 2.3.2. Điều kiện đất có độ ẩm bão hòa, không có nước ngầm
• 2.3.3. Điều kiện đất có độ ẩm bão hòa, có nước ngầm
• 2.3.4. Trường hợp có lớp đất cao lanh ở Km7-Km8
• 2.4. Đề xuất giải pháp đảm bảo ổn định trượt mái dốc kênh Văn Phong
• 2.5. Phân tích tính toán các trường hợp thiết kế đặc trưng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH

I. Giới thiệu về kênh Văn Phong Bình Định

Kênh Văn Phong thuộc hệ thống tưới tiêu của tỉnh Bình Định, có chiều dài hơn 34 km, phục vụ cho việc cung cấp nước tưới tiêu cho nông nghiệp. Việc xây dựng và duy trì độ ổn định mái bờ của kênh là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho công trình và hiệu quả sử dụng nước. Đặc biệt, địa kỹ thuật khu vực này rất đa dạng, bao gồm nhiều loại đất và điều kiện khí tượng khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến giải pháp xây dựng và duy trì ổn định cho kênh.

1.1. Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá các điều kiện địa chất công trình, từ đó xác định các giải pháp phù hợp nhằm đảm bảo ổn định mái bờ kênh Văn Phong. Nghiên cứu sẽ xem xét các yếu tố như độ ẩm của đất, khả năng thoát nước, và áp lực nước ngầm ảnh hưởng đến độ ổn định của mái bờ. Việc này không chỉ giúp cải thiện bảo vệ bờ kênh, mà còn hỗ trợ cho việc quản lý nước hiệu quả hơn trong khu vực.

II. Phân loại và nguyên nhân trượt lở

Trượt lở mái bờ kênh là hiện tượng phổ biến trong các công trình thủy lợi. Có nhiều phương pháp phân loại trượt lở, trong đó phân loại theo tốc độ dịch chuyển và cơ chế trượt được coi là quan trọng nhất. Tác động của địa kỹ thuật và địa chất công trình đến hiện tượng trượt lở là rất lớn. Các yếu tố như áp lực nước trong đất và sự thay đổi độ ẩm có thể làm giảm sức bền của đất, dẫn đến trượt lở. Việc phân tích các nguyên nhân này giúp xác định các biện pháp khắc phục và cải thiện môi trường xung quanh.

2.1. Các loại trượt lở

Trượt lở có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như trượt lôi kéo, trượt xô đẩy và trượt quay. Mỗi loại có những đặc điểm riêng và ảnh hưởng khác nhau đến ổn định mái bờ. Việc hiểu rõ các loại trượt này giúp trong việc thiết kế các biện pháp phòng ngừa và khắc phục hiệu quả. Theo nghiên cứu, trượt quay là loại phổ biến nhất ở khu vực kênh Văn Phong, do ảnh hưởng của tải trọng lớn từ đường giao thông và điều kiện địa hình phức tạp.

III. Đánh giá điều kiện địa kỹ thuật

Đánh giá điều kiện địa kỹ thuật là bước quan trọng trong việc xác định độ ổn định của mái bờ kênh. Các yếu tố như cấu trúc địa chất, độ ẩm và áp lực nước ngầm đều ảnh hưởng đến khả năng trượt lở. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các lớp đất có độ dính và góc ma sát khác nhau cần được xem xét kỹ lưỡng. Sử dụng phương pháp phân tích cơ học đất, các chỉ tiêu cơ lý của đất được xác định giúp đưa ra các biện pháp giải pháp xây dựng phù hợp.

3.1. Tính toán địa kỹ thuật

Tính toán địa kỹ thuật được thực hiện thông qua việc thu thập dữ liệu từ các lớp đất và điều kiện thủy văn. Việc này không chỉ giúp đánh giá độ ổn định của mái bờ mà còn cung cấp thông tin cần thiết cho việc thiết kế các biện pháp gia cố. Các kết quả tính toán cho thấy rằng, ở những điều kiện khác nhau, độ ổn định của mái bờ có sự khác biệt rõ rệt, từ đó cần có các giải pháp cụ thể cho từng trường hợp.

IV. Giải pháp ổn định mái bờ

Để đảm bảo ổn định mái bờ kênh Văn Phong, các giải pháp được đề xuất bao gồm việc sử dụng công nghệ gia cố hiện đại cũng như các phương pháp truyền thống. Các biện pháp như gia cố bằng cọc tre, xử lý bằng xi măng đất, và tạo lớp phủ thực vật được xem xét. Những giải pháp này không chỉ giúp cải thiện độ ổn định mà còn bảo vệ môi trường xung quanh. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trong xây dựng là cần thiết để nâng cao hiệu quả và an toàn cho công trình.

4.1. Các biện pháp cụ thể

Các biện pháp cụ thể bao gồm: 1) Gia cố mái bờ bằng cọc tre để tăng cường độ bền; 2) Xử lý đất bằng xi măng để cải thiện tính chất cơ lý; 3) Tạo lớp phủ thực vật để giảm xói mòn và tăng cường khả năng giữ nước. Những biện pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án trước đây, cho thấy tính khả thi và hiệu quả của chúng trong việc duy trì ổn định mái bờ.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc đảm bảo ổn định mái bờ kênh Văn Phong là một nhiệm vụ quan trọng không chỉ cho an toàn công trình mà còn cho sự phát triển bền vững của khu vực. Các giải pháp đã đề xuất cần được thực hiện đồng bộ và có sự giám sát chặt chẽ để đạt hiệu quả cao nhất. Kiến nghị cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến địa kỹ thuật và các giải pháp ứng phó phù hợp.

5.1. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu về các yếu tố tác động đến ổn định mái bờ, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc áp dụng công nghệ mới trong phân tích và thiết kế sẽ giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các giải pháp. Hơn nữa, cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học và cơ quan quản lý để triển khai các giải pháp một cách hiệu quả nhất.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội và hiện đại hóa nông thôn, các công trình thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nguồn nước tưới phục vụ sản xuất nông nghiệp. Kênh chính Văn Phong thuộc dự án thủy lợi Hỗ chứa nước Định Bình, tỉnh Bình Định, có chiều dài hơn 34 km, phục vụ tưới cho khoảng 10.124 ha đất canh tác và kết hợp giao thông trên bờ kênh. Tuy nhiên, do địa hình phức tạp, điều kiện thủy văn và địa chất đa dạng, mái bờ kênh Văn Phong thường xuyên đối mặt với nguy cơ mất ổn định, trượt lở, ảnh hưởng đến an toàn công trình và hiệu quả sử dụng.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá đặc thù địa kỹ thuật của tuyến kênh, xác định độ ổn định mái dốc trong các điều kiện khác nhau, từ đó đề xuất các giải pháp ổn định bờ kênh phù hợp. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các lớp đất nền, điều kiện thủy văn, khí tượng và địa hình trong khu vực từ năm 2005 đến 2010, nhằm phục vụ thiết kế và thi công công trình đạt tiêu chuẩn an toàn. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ bền vững của hệ thống kênh, giảm thiểu rủi ro trượt lở, đảm bảo an toàn giao thông và phòng chống lũ lụt hiệu quả.

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 mái dốc, bao gồm:

• Phương pháp Bishop: Phân tích ổn định trượt mái dốc bằng cách chia mặt trượt thành các lát cắt đơn giản, tính toán hệ số an toàn dựa trên cân bằng lực và mô men.
• Phân loại trượt lở: Áp dụng phân loại trượt của Ban nghiên cứu đường giao thông Mỹ, phân loại theo dạng chuyển động và thành phần đất đá, giúp nhận diện các kiểu trượt phổ biến tại bờ kênh.
• Khái niệm cơ lý đất: Bao gồm các chỉ tiêu như góc ma sát trong, lực dính, độ ẩm tự nhiên, độ đặc, hệ số thấm, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và ổn định của mái dốc.
• Ảnh hưởng của áp lực nước ngầm và dao động mực nước: Nghiên cứu tác động của áp lực nước lỗ rỗng và sự thay đổi mực nước trên mái dốc đến sự mất ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả khảo sát địa chất công trình, thí nghiệm cơ lý đất, số liệu khí tượng - thủy văn từ trạm Quy Nhơn và trạm thủy văn Cây Muỗng, cùng các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước. Cỡ mẫu khảo sát gồm hơn 50 điểm lấy mẫu đất dọc tuyến kênh, với các lớp đất được phân tích chi tiết về thành phần và chỉ tiêu cơ lý.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Geostudio để mô phỏng ổn định mái dốc theo phương pháp Bishop, kết hợp thuật toán Monte Carlo để xác định mặt trượt nguy hiểm nhất. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2009 đến 2011, bao gồm khảo sát hiện trường, thí nghiệm phòng thí nghiệm, phân tích số liệu và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm địa chất và cơ lý đất nền: Tuyến kênh Văn Phong có nhiều lớp đất khác nhau, trong đó lớp đất cao lanh yếu xuất hiện tại đoạn Km7-Km8 với chiều dày khoảng 1 m, có lực dính gần bằng 0 và góc ma sát trong khoảng 6°. Các lớp đất khác như cát pha, sét pha có độ chặt và góc ma sát trong dao động từ 13° đến 26°, hệ số thấm từ 1x10^-6 đến 5x10^-5 cm/s.

2. Độ cao mái dốc và phân cấp địa hình: Chiều cao từ đáy kênh đến mặt đất tự nhiên thay đổi từ dưới 3 m đến trên 6 m, với 48% chiều dài tuyến kênh thuộc địa hình thấp (<3 m), 19% địa hình trung bình (3-4 m), và 9% địa hình rất cao (>6 m). Độ cao mái dốc ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số an toàn trượt mái.

3. Hệ số an toàn trượt mái dốc: Phân tích theo phương pháp Bishop cho thấy hệ số an toàn Fs có thể giảm xuống dưới 1,15 ở một số đoạn có lớp đất yếu và độ ẩm cao, đặc biệt khi có nước ngầm hoặc đất bão hòa. Việc hạ mái dốc từ tỷ lệ 1:1 xuống 1:1,5 giúp tăng hệ số an toàn lên trung bình 1,3-1,4.

4. Ảnh hưởng của áp lực nước ngầm và dao động mực nước: Sự thay đổi nhanh mực nước trên mái dốc làm giảm áp lực phản ứng, dẫn đến mất ổn định mái dốc. Các trường hợp có nước ngầm trong taluy kênh làm giảm đáng kể hệ số an toàn, cần xử lý kỹ thuật phù hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây mất ổn định mái dốc là sự kết hợp giữa điều kiện địa chất yếu, đặc biệt là lớp cao lanh yếu, và tác động của áp lực nước ngầm, dao động mực nước. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với các trường hợp trượt lở tại kênh đào Panama và đập Vayont (Italy), nơi áp lực nước và đặc tính cơ lý đất yếu là nguyên nhân chủ yếu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hệ số an toàn theo từng đoạn kênh, bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý đất và mặt cắt địa chất dọc tuyến kênh để minh họa rõ ràng các vùng nguy hiểm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp thiết kế và thi công kênh đạt độ ổn định cần thiết, giảm thiểu rủi ro trượt lở và đảm bảo an toàn giao thông trên bờ kênh.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Hạ mái dốc từ tỷ lệ 1:1 xuống 1:1,5 nhằm tăng hệ số an toàn trượt mái dốc lên ít nhất 1,3 trong vòng 1 năm thi công, do chủ đầu tư và nhà thầu thi công thực hiện.

2. Gia cố lớp đất yếu bằng phương pháp khoan phun vữa xi măng tại các đoạn có lớp cao lanh yếu, đảm bảo tăng cường độ dính và góc ma sát trong, hoàn thành trong 6 tháng đầu thi công.

3. Sử dụng cọc tre đóng sâu để gia cố mái dốc tại các vị trí có áp lực nước ngầm cao, giảm thiểu nguy cơ trượt lở trong vòng 1 năm, do đơn vị thi công và tư vấn giám sát phối hợp thực hiện.

4. Thiết kế hệ thống thoát nước hợp lý trên mái dốc và bờ kênh, kiểm soát mực nước ngầm và hạn chế dao động mực nước nhanh, đảm bảo ổn định lâu dài, thực hiện trong giai đoạn vận hành công trình.

5. Theo dõi, quan trắc định kỳ hệ số an toàn mái dốc và mực nước ngầm trong suốt quá trình vận hành, phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định để xử lý kịp thời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi: Áp dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế mái dốc kênh và các biện pháp gia cố phù hợp với điều kiện địa kỹ thuật đa dạng.

2. Nhà thầu thi công công trình thủy lợi: Tham khảo các giải pháp thi công an toàn, kỹ thuật gia cố đất yếu và quản lý áp lực nước ngầm trong quá trình xây dựng.

3. Chuyên gia quản lý và vận hành hệ thống thủy lợi: Sử dụng các khuyến nghị về quan trắc và bảo trì để duy trì độ ổn định mái dốc, đảm bảo an toàn công trình lâu dài.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Tài liệu tham khảo về phương pháp phân tích ổn định mái dốc, ứng dụng phần mềm Geostudio và thuật toán Monte Carlo trong đánh giá an toàn công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mái dốc kênh Văn Phong dễ bị trượt lở?
   Mái dốc dễ trượt do lớp đất yếu như cao lanh, áp lực nước ngầm cao và dao động mực nước nhanh làm giảm sức bền đất, kết hợp với địa hình dốc và tải trọng giao thông lớn.

2. Phương pháp Bishop có ưu điểm gì trong phân tích ổn định mái dốc?
   Phương pháp Bishop cho phép phân tích cân bằng lực và mô men trên mặt trượt giả định, tính toán hệ số an toàn chính xác, phù hợp với các trường hợp mái dốc phức tạp.

3. Giải pháp nào hiệu quả nhất để gia cố lớp đất yếu?
   Khoan phun vữa xi măng và đóng cọc tre là các biện pháp hiệu quả, tăng cường độ bền cơ học và giảm áp lực nước ngầm, giúp nâng cao độ ổn định mái dốc.

4. Làm thế nào để kiểm soát áp lực nước ngầm trong kênh?
   Thiết kế hệ thống thoát nước hợp lý, theo dõi mực nước ngầm định kỳ và hạn chế dao động mực nước nhanh là các biện pháp kiểm soát hiệu quả.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các công trình khác không?
   Có, các phương pháp và giải pháp đề xuất có thể áp dụng cho các công trình thủy lợi, đê điều và bờ sông có điều kiện địa kỹ thuật tương tự, giúp nâng cao an toàn công trình.

Kết luận

• Đã xác định đặc thù địa kỹ thuật và điều kiện thủy văn đa dạng của tuyến kênh Văn Phong, ảnh hưởng đến độ ổn định mái dốc.
• Phân tích hệ số an toàn trượt mái dốc cho thấy nhiều đoạn có nguy cơ mất ổn định, đặc biệt khi có nước ngầm và đất yếu.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật như hạ mái dốc, gia cố đất yếu bằng vữa xi măng và cọc tre, cùng hệ thống thoát nước hợp lý.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho thiết kế, thi công và vận hành công trình thủy lợi an toàn, bền vững.
• Khuyến nghị tiếp tục quan trắc và đánh giá định kỳ để đảm bảo an toàn lâu dài, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các công trình tương tự.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các chuyên gia, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả quản lý công trình thủy lợi tại Việt Nam.