Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy (mã số: 62-58-40.01) của nghiên cứu sinh Nguyễn Quốc Đạt, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Quốc Dũng tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (năm 2013), giải quyết bài toán cấp bách về an toàn đê điều trước hiểm họa biến dạng thấm tại tỉnh Hà Nam.

Hà Nam là vùng trũng chịu tác động trực tiếp của lũ thượng nguồn, sở hữu mạng lưới đê điều dài trên 319 km. Trong đó, đê cấp I đến cấp III (gồm tuyến Hữu Hồng và Tả Đáy) dài gần 90 km, đê cấp IV (gồm sông Nhuệ, Châu Giang, Hoành Uyển, tuyến chắn nước Hà Tây và Tả Duy Tiên) dài hơn 98 km. Đa số các công trình kè, cống trên đê được xây dựng từ 50–60 năm trước (tiêu biểu như cống Vũ Xá tại K134+108 đê Hữu Hồng xây năm 1930). Hoạt động khai thác đất làm gạch tạo nên hàng ngàn hố đào, ao, thùng đấu sát chân đê (như tại xã Chuyên Ngoại, huyện Duy Tiên, ao rộng hàng ngàn mét vuông chỉ cách đê 100 m, từng vỡ đê bối tháng 10/2006). Đồng thời, nạn khai thác cát trái phép gây sạt lở đê bối nghiêm trọng (tại xã Thanh Tuyền, huyện Thanh Liêm, người dân phải 4 lần di chuyển đê lùi sâu 10–30 m vào trong đất canh tác). Cấu trúc địa tầng nền đê Hà Nam rất phức tạp với tầng cát thấm nước mạnh thông trực tiếp với sông, trong khi tầng phủ sét phía trên mỏng hoặc bị đào bới, dẫn đến hiện tượng mạch đùn, mạch sủi, cát chảy và xói ngầm khi lũ lên cao. Điển hình là sự cố xói ngầm cống Tắc Giang (Km129+530 đê Hữu Hồng) ngày 01/8/2012 làm sụt lún toàn bộ nhà điều hành, hay các sự cố tương tự tại cống Đập Phúc, cống D10, cống Vĩnh Mộ, cống Nhân Hiền và tuyến đê Tả Đáy.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là các giải pháp chống thấm truyền thống (như đắp ao, làm cơ phản áp) gặp khó khăn do chiếm dụng đất canh tác và nuôi trồng thủy sản; giải pháp giếng giảm áp bị suy giảm lưu lượng nghiêm trọng do tắc nghẽn tầng lọc bởi ôxít sắt; giải pháp tường hào chống thấm dạng vách phẳng bộc lộ nhược điểm do dòng thấm không gian đi vòng qua hai đầu; và công tác xử lý sự cố khẩn cấp trong mùa lũ khi có chênh lệch cột nước lớn thiếu các công nghệ vữa đông kết nhanh phù hợp.

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu giải pháp ngăn chặn mạch đùn, mạch sủi cho các đoạn đê trọng điểm và xử lý khẩn cấp sự cố xói ngầm trong mùa lũ nhằm bảo đảm an toàn đê điều và phòng chống lụt bão trên địa bàn tỉnh Hà Nam.

Luận án thực hiện ba nhiệm vụ nghiên cứu cơ bản:

  1. Đánh giá, phân loại nền đê trên địa bàn tỉnh Hà Nam trên quan điểm ổn định thấm;
  2. Phân tích làm rõ ưu, nhược điểm của các giải pháp xử lý chống mạch đùn, mạch sủi hiện có, từ đó đề xuất giải pháp khắc phục và cải tiến;
  3. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khoan phụt hóa chất nhằm xử lý sự cố mạch đùn, mạch sủi, đặc biệt là xử lý khẩn cấp trong mùa lũ bão.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian: Các tuyến đê chính thuộc địa bàn tỉnh Hà Nam gồm đê Hữu Hồng, đê Tả Đáy và đê sông Nhuệ. Vị trí nghiên cứu thực nghiệm và tính toán trọng điểm được lựa chọn tại đoạn Km103+00 đến Km103+147 trên đê Tả Đáy, cống Tắc Giang (Km129+530 đê Hữu Hồng) và cống Mộc Nam.
  • Thời gian: Số liệu khảo sát địa chất, quan trắc mực nước lũ lịch sử và các thử nghiệm hiện trường, phòng thí nghiệm được tổng hợp đến năm 2013.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong và ngoài nước về thấm và xử lý nền đê:

  • Lý thuyết thấm công trình thủy công: Phương pháp giải tích bài toán thấm phẳng của N.N. Pavlopxki áp dụng cho đường viền thấm đơn giản; phương pháp tính sức cản thấm cho đường viền phức tạp của X.R. Tsugaev; phương pháp xây dựng lưới thấm của Whitlow (1973); lời giải giải tích thấm không ổn định theo sơ đồ nửa giới hạn thông qua tuyến tính hóa phương trình vận động nước dưới đất (phương trình Boussinesq) của V.M. Sextakov; và mô hình thấm đơn giản hóa dưới nền đê gồm 7 trường hợp tính toán theo tiêu chuẩn EM 1110-2-1914 (1992) của Trung tâm Kỹ thuật Đường thủy Quân đội Mỹ (US Army Engineer Waterways Experiment Station, 1956).
  • Các nghiên cứu trong nước:
    • Nguyễn Công Mẫn (1999) với các mô hình cơ học đất cho bài toán thấm nền đê.
    • Nguyễn Quyền và nhóm nghiên cứu (2000) nghiên cứu bài toán thấm không ổn định trên mô hình vật lý.
    • Trịnh Minh Thụ và cộng sự (2010) sử dụng mô hình 3D trong phần mềm SEEP 3D (bộ GEO-SLOPE) nghiên cứu đoạn đê Mai Động – Đức Hợp (Hưng Yên), chứng minh tường hào Bentonite thượng lưu (dài 600–800 m) không đạt hiệu quả do thấm không gian vòng qua chân và hai bên tường hào, trong khi giếng giảm áp ở hạ lưu đạt hiệu quả rõ rệt.
    • Tô Xuân Vu (2002) phân loại cấu trúc nền đê Hữu Hồng (Hà Nội) và đề xuất tường chống thấm bằng cọc đất – xi măng (XMĐ).
    • Bùi Xuân Trường (2009) nghiên cứu biến dạng thấm nền đê sông Hồng tỉnh Thái Bình qua mô hình Visual Modflow 4.151, phân chia nền đê thành 5 kiểu, 11 phụ kiểu, 23 dạng cấu trúc; xác định gradient giới hạn xói ngầm $I_{xgh}$ từ 0,433 đến 0,510 và gradient giới hạn cát chảy $I_{cgh}$ từ 0,709 đến 0,742; đồng thời chỉ ra quan trắc thực tế 5 giếng giảm áp sau 8 năm vận hành (1996–2004) bị giảm lưu lượng xuống chỉ còn 16%–54% và độ hạ thấp mực nước giảm từ 0,86 m xuống 0,20 m do ôxít sắt bám nghẹt tầng lọc.
  • Tổng quan công nghệ khoan phụt hóa chất (KPHC): Lịch sử KPHC khởi nguồn từ Jeziorsky (1886) sử dụng thủy tinh lỏng, được quy trình hóa bởi H. Joosten (1925) với phương pháp hai dung dịch (sodium silicate và calcium chloride). Các tổng kết của Bowen (1981), Karol (1990, 2003) và US Army Corps (1995) về các hệ vữa silicate, acrylate, lignin, urethane, resin; ví dụ ứng dụng nâng đập đất ở Pennsylvania (Mỹ, 1982) dựa trên chỉ số năng lực thoát nước $R_N = V \cdot f / (L \cdot t)$; và xử lý móng tuyến tàu điện ngầm Sixth Avenue (Pittsburgh, Mỹ) sử dụng thủy tinh lỏng nồng độ 50% với thời gian đông kết 30–45 phút, đạt cường độ kháng nén tối thiểu $7\text{ kgf/cm}^2$.

Khoảng trống được luận án lựa chọn là: Chưa có nghiên cứu tích hợp phân vùng địa chất nền đê tỉnh Hà Nam gắn với việc đơn giản hóa mô hình tính toán theo tiêu chuẩn quốc tế; thiếu giải pháp kết cấu vừa đảm bảo giảm áp lực thấm hạ lưu, vừa không phải đắp lấp ao nuôi trồng thủy sản, không bị bồi tắc như giếng khoan; và thiếu quy trình thực nghiệm khoan phụt hóa chất kết hợp xi măng để chặn dòng thấm khẩn cấp trong mùa lũ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết:

  • Lý thuyết dòng thấm ổn định và không ổn định qua môi trường rỗng;
  • Phương pháp giải tích tính toán áp lực đẩy bục và xói ngầm nền đê theo mô hình đơn giản hóa (Trường hợp 7 trong EM 1110-2-1914);
  • Lý thuyết cơ học đất về điều kiện bền chống đẩy nổi, gradient áp lực thấm giới hạn phá hoại tầng phủ ($I_{gh}$), gradient xói ngầm ($I_{xn}, I_{xgh}$) và gradient cát chảy ($I_c, I_{cgh}$);
  • Cơ chế phản ứng keo hóa (gelation) của dung dịch Sodium Silicate ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$) kiềm khi được trung hòa bởi các tác nhân kiềm thổ, muối nhôm ($\text{CaCl}_2$, $\text{MgSO}_4$, $\text{MgCl}_2$, $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$) hoặc hợp chất hữu cơ (formamide, sodium aluminate, $\text{NaHCO}_3$).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện:

  • Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập dữ liệu: Khảo sát địa hình, địa chất từ các dự án xây dựng dọc các tuyến đê Hà Nam (100 mặt cắt địa chất trên 10,25 km đê sông Nhuệ, 500 mặt cắt địa chất trên 38,96 km đê Hữu Hồng, cùng dữ liệu đê sông Đáy).
  • Phương pháp giải tích: Sử dụng các công thức tính toán cột nước áp lực thấm dưới đáy tầng phủ ($H_{av}$), khoảng cách ảnh hưởng áp lực thấm ($X_3$), và gradient cột nước thấm tại các vị trí mỏng của tầng phủ hạ lưu.
  • Phương pháp mô hình số (phần tử hữu hạn - FEM): Sử dụng phần mềm Seep/W (thuộc bộ GeoStudio) để mô phỏng dòng thấm phẳng 2D, xác định phân bố đường đẳng thế, phân bố áp lực nước lỗ rỗng và gradient thấm $I_{xy}$ qua các trường hợp hiện trạng và phương án xử lý.
  • Phương pháp thực nghiệm trong phòng: Chế bị các mẫu đất cát pha trộn vữa xi măng – hóa chất (nước thủy tinh kết hợp phụ gia hóa chất), tiến hành thí nghiệm xác định thời gian đông kết/keo hóa, thí nghiệm nén không nở hông xác định cường độ kháng nén theo tuổi ngày trên máy nén TYA-300C, và thí nghiệm xác định hệ số thấm $k$.
  • Phương pháp thực nghiệm hiện trường: Thi công cọc thử nghiệm trên dây chuyền khoan phụt Jet-grouting (JG) áp lực cao và khoan phụt thuần áp truyền thống tại cống Mộc Nam; kiểm tra chất lượng chống thấm bằng phương pháp đổ nước thí nghiệm trong hố khoan trước và sau khi xử lý; khoan lấy mẫu lõi hiện trường để nén xác định cường độ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa hiện trạng đê điều, các dạng sự cố thấm và công nghệ xử lý đê điều tại Việt Nam và trên thế giới.

  • Hiện trạng và sự cố thấm tại Hà Nam: Đê chịu áp lực lũ lớn; các sự cố vỡ đê bối do xói ngầm (Chuyên Ngoại, 2006), mạch đùn mạch sủi tại Km123+200, Km146+150 đê Hữu Hồng (lũ 2008), Km103+100 đê Tả Đáy (2009). Đặc biệt, sự cố cống Tắc Giang (01/8/2012) khi chênh lệch mực nước thượng – hạ lưu 2,4 m đã gây đùn sủi dữ dội bờ trái, làm sụt hoàn toàn nhà vận hành; xử lý cấp bách phải đắp đê quai thượng lưu, khoan phụt Jet-grouting tạo tường chống thấm và bơm bù 600 $\text{m}^3$ vữa vào khoang rỗng dưới đáy móng. Thống kê tại các cống khác cũng phải bơm bù lượng vữa lớn: Đập Phúc (360 $\text{m}^3$), Vĩnh Mộ (150 $\text{m}^3$), Nhân Hiền (150 $\text{m}^3$).
  • Phân tích các giải pháp xử lý trước mùa lũ:
    • Đắp sân phủ chống thấm ngoài đê: Kéo dài đường thấm, rộng 20–25 m, đắp bằng sét hoặc sét pha ($k < 10^{-6}\text{ cm/s}$), hạn chế là chiếm đất nông nghiệp.
    • Đắp cơ phản áp tiêu nước trong đê: Rộng khoảng 25 m, dày trung bình 1,5 m, bằng cát pha/cát bụi ($k = 10^{-4} \div 10^{-5}\text{ cm/s}$), tăng tải giữ ổn định nhưng tốn mặt bằng.
    • Giếng giảm áp (giếng đào, giếng khoan): Tiêu tán áp lực thấm dưới tầng phủ; nhược điểm là chi phí cao và giảm nhanh hiệu quả do tắc nghẽn màng lọc bởi bùn cát và ôxít sắt.
    • Tường chống thấm: Chi phí cao, khó thi công sâu, hiệu quả giảm do tính thấm không gian vòng quanh tường.
  • Kinh nghiệm xử lý khẩn cấp trong mùa lũ: Nguyên tắc "thượng bịt, hạ thoát" (bịt miệng rò thượng lưu bằng bao tải đất, phên nứa; làm tầng lọc ngược hạ lưu bằng cát, sỏi, đá hộc; hoặc dùng giải pháp "lấy nước đè nước").
  • Phân loại vữa và công nghệ khoan phụt hóa chất: Phân tích thuộc tính và phạm vi ứng dụng của các hệ vữa KPHC:
Dạng vữa Khả năng thâm nhập Độ bền Tính dễ áp dụng Nguy cơ ô nhiễm Tính dễ gây cháy Giá thành
Gốc xi măng Portland Thấp Cao Trung bình Thấp Không Thấp
Sodium Silicate Cao Trung bình Cao Thấp Không Thấp
Acrylate Cao Trung bình Cao Trung bình Thấp Cao
Lignin Cao Trung bình Cao Cao Thấp Cao
Urethane Trung bình Cao Trung bình Cao Cao Cao
Resin Thấp Cao Trung bình Cao Trung bình Cao
Dạng vữa Tăng cường độ Chống thấm Sửa chữa bê tông Sửa chữa đường ống Truyền tải, chống đỡ Làm neo
Sodium Silicate Rộng rãi Rộng rãi Tương đối Tương đối Tương đối Hiếm khi
Acrylate Rộng rãi Rộng rãi Tương đối Tương đối Tương đối Hiếm khi
Lignin Rộng rãi Rộng rãi Tương đối Tương đối Tương đối Hiếm khi
Urethane Hiếm khi Tương đối Rộng rãi Rộng rãi Rộng rãi Tương đối
Resin Hiếm khi Hiếm khi Rộng rãi Rộng rãi Tương đối Rộng rãi

Chương 2. Phân loại nền đê tỉnh Hà Nam trên quan điểm ổn định thấm

Chương 2 trình bày cấu trúc địa chất, phân vùng các tuyến đê chính và xác lập mô hình thấm tính toán:

  • Địa tầng đê sông Nhuệ (từ Km0 đến Km10+250, 100 mặt cắt):
    • Lớp 1: Đất đắp thân đê sét màu nâu gụ, nửa cứng, dày trung bình 2,6 m (1,8–3,4 m).
    • Lớp 2: Sét pha màu nâu xám, dẻo mềm, dày trung bình 3,4 m.
    • Lớp 3: Sét pha xám ghi, dẻo chảy, dày trung bình 4,6 m (tại đoạn K0–K2) và sâu hơn 10 m (đoạn K6+150–K10+250).
    • Lớp 4: Cát hạt nhỏ xám ghi, xốp đến chặt vừa, bề dày lớn hơn 10 m.
  • Địa tầng đê Hữu Hồng (từ Km117+900 đến Km156+863, 500 mặt cắt):
    • Lớp 1: Sét pha màu nâu gụ, nâu hồng, dẻo cứng, dày trung bình 4,2 m.
    • Lớp 2: Sét pha nâu gụ, nâu hồng, dẻo mềm, dày trung bình 2,2 m.
    • Lớp 3a & 3b: Sét pha xám vàng, xám xanh (dẻo cứng dày 1,1 m hoặc dẻo mềm).
    • Lớp 4a & 4b: Sét pha xám đen (dẻo mềm hoặc dẻo chảy).
    • Lớp 5: Cát pha xám đen trạng thái dẻo ở độ sâu 13,5–14,3 m.
  • Quy luật mô hình hóa địa chất nền đê Hà Nam: Toàn bộ địa tầng nền đê các tuyến chính tại Hà Nam được quy về một mặt cắt đặc trưng gồm 3 phần từ trên xuống: Đất đắp thân đê $\rightarrow$ Tầng phủ thấm nước yếu (sét, sét pha) $\rightarrow$ Tầng thấm nước áp lực mạnh (cát, cát pha) có chiều dày rất lớn ($> 40\text{ m}$). Cấu trúc này tương ứng hoàn toàn với Trường hợp 7 theo phân loại của tiêu chuẩn EM 1110-2-1914.
  • Đánh giá mức độ an toàn thấm: An toàn thấm phụ thuộc căn bản vào khoảng cách từ chân đê đến mép sông ($S$) và bề dày tầng phủ phía đồng ($Z_t$). Luận án xác định 3 vị trí xung yếu trọng điểm trên đê Hữu Hồng, Tả Đáy và sông Nhuệ (nơi $S \le 200\text{ m}$ và có hệ thống ao hồ đào sâu bóc mất tầng phủ sát chân đê), tính toán cột nước áp lực thấm và gradient thủy lực ứng với các cấp báo động lũ từ cấp 1 đến cấp 3, cho thấy nguy cơ bục nền và phát sinh bãi sủi lớn khi lũ đạt báo động 2 và 3.

Chương 3. Giải pháp ổn định thấm nền đê cho một đoạn trọng điểm trên đê Tả Đáy

Chương 3 đi sâu nghiên cứu đoạn đê trọng điểm từ Km103+00 đến Km103+147 trên tuyến đê Tả Đáy.

  • Hiện trạng tính toán: Phía hạ lưu chân đê tồn tại ao sâu, cao trình đáy ao thấp, tầng phủ thấm nước yếu bị mỏng đi nghiêm trọng. Kết quả tính toán bằng giải tích và mô hình phần tử hữu hạn Seep/W chỉ ra rằng khi mực nước sông Đáy đạt mức báo động 2 (cao độ mực nước $+3,6\text{ m}$), gradient áp lực thấm tại đáy ao vượt ngưỡng cho phép ($I_{max} > I_{gh}$), gây bục tầng phủ và xuất hiện mạch đùn, cát chảy.
  • Đề xuất và tính toán so sánh 3 giải pháp xử lý:
    1. Phương án 1 - Lấp toàn bộ ao hạ lưu đến cao độ $+0,8\text{ m}$: Tăng chiều dày lớp đất đè, triệt tiêu gradient bục nền.
    2. Phương án 2 - Bố trí hệ thống giếng khoan giảm áp: Hạ thấp đường áp lực nước dưới tầng phủ tại khu vực ao.
    3. Phương án 3 - Giải pháp giếng cọc vây: Xây dựng hệ thống tường kín bằng các cọc xi măng đất (XMĐ) khoan chồng lấn bao quanh khu vực ao/hố trũng sát chân đê, tạo thành một "giếng hở" ngăn chặn dòng thấm ngang từ tầng cát đi vào đáy ao.
Tiêu chí so sánh Phương án 1: Đắp ao hạ lưu Phương án 2: Giếng giảm áp Phương án 3: Giếng cọc vây XMĐ
Khả năng ổn định thấm (Báo động 3) Đảm bảo an toàn ($I_{max} < I_{gh}$) Đảm bảo an toàn ($I_{max} < I_{gh}$) Đảm bảo an toàn ($I_{max} < I_{gh}$)
Mặt bằng và sản xuất dân sinh Mất hoàn toàn diện tích ao nuôi thủy sản Chiếm ít diện tích mặt bằng Giữ nguyên hiện trạng ao nuôi thủy sản
Yêu cầu bảo trì, vận hành Không cần bảo trì định kỳ Phải súc rửa, thau rửa định kỳ chống tắc Không cần duy tu, thau rửa định kỳ
Hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tổng thể Phụ thuộc nguồn đất đắp, giải phóng mặt bằng lớn Chi phí bảo dưỡng vận hành cao Tối ưu về kỹ thuật, bền vững lâu dài, hài hòa sản xuất

Luận án khẳng định giải pháp giếng cọc vây là giải pháp hợp lý nhất về mặt kỹ thuật, kinh tế và xã hội cho các vùng đê có ao hồ nuôi trồng thủy sản không thể san lấp. Đồng thời, sai số giữa phương pháp giải tích trên mô hình đơn giản hóa và mô hình FEM Seep/W là không đáng kể, cho phép sử dụng công thức giải tích trong bước lập dự án đầu tư.

Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm khoan phụt hóa chất để xử lý khẩn cấp sự cố thấm nền đê

Chương 4 thực hiện các thí nghiệm trong phòng và hiện trường về công nghệ khoan phụt vữa hóa chất nhằm bịt kín dòng xói ngầm trong mùa lũ:

  • Cơ sở công nghệ: Sử dụng dung dịch Sodium Silicate (thủy tinh lỏng $\text{Na}_2\text{SiO}_3$) kết hợp chất trung hòa/đẩy nhanh tốc độ keo hóa để tạo khối gel bịt kín lỗ rỗng trong nền cát hạt mịn, cát pha có dòng nước chảy ngầm mà vữa xi măng truyền thống bị rửa trôi.
  • Thí nghiệm trong phòng:
    • Nghiên cứu tỷ lệ phối trộn giữa đất cát pha nền đê Hà Nam với hỗn hợp Xi măng - Hóa chất (XM-HC) và Đất - Xi măng - Hóa chất (Đ-X-HC).
    • Xác định quy luật thời gian keo hóa: Có thể điều chỉnh thời gian đông kết từ vài phút đến vài chục phút tùy thuộc tỷ lệ chất trung hòa và hàm lượng silicate (duy trì nồng độ silicate $< 60%$ để tránh độ nhớt tăng vọt).
    • Thí nghiệm nén nở hông trên thiết bị TYA-300C: Xác định cường độ chịu nén tức thời và theo tuổi ngày (1, 3, 7, 28 ngày) của mẫu XMĐ và XM-HC; mẫu XM-HC phát triển cường độ sớm rất nhanh trong những giờ đầu.
    • Thí nghiệm thấm: Xác định hệ số thấm $k$ của đất sau khi phụt hóa chất giảm sâu, đạt mức chống thấm cao.
  • Thí nghiệm tại hiện trường (cống Mộc Nam):
    • Bố trí dây chuyền thiết bị thi công khoan phụt hóa chất áp lực cao (Jet-grouting) và khoan phụt thuần áp truyền thống.
    • Thi công các cọc thử nghiệm trong tầng đất cát pha/cát mịn (lớp 3 và 4) với các thông số áp lực, tốc độ rút và cấp phối vữa xác định.
    • Thí nghiệm đổ nước hố khoan kiểm tra thấm: Đo lượng nước tiêu hao $Q_c$ theo thời gian $t$, so sánh hệ số thấm của nền tự nhiên và nền sau khi khoan phụt xử lý. Kết quả cho thấy hệ số thấm của khối đất sau phụt giảm hàng trăm lần, vỉa vữa XM-HC xen kẹp lấp kín các khe rỗng cát, tạo màn ngăn nước liên tục.
    • Thí nghiệm nén mẫu hiện trường xác nhận cường độ chịu lực và độ đồng nhất của khối đất gia cố đáp ứng yêu cầu gia cố khẩn cấp khi có dòng thấm ngầm.

Kết quả và những đóng góp mới

  1. Về phân vùng địa chất và mô hình hóa: Luận án đã điều tra, thu thập tài liệu và khảo sát bổ sung để lập bản đồ phân loại cấu trúc nền đê các tuyến đê chính tỉnh Hà Nam trên quan điểm an toàn ổn định thấm. Luận án chứng minh địa chất nền đê Hà Nam có thể mô phỏng đơn giản hóa về Trường hợp 7 (theo tiêu chuẩn EM 1110-2-1914), cho phép các đơn vị quản lý và tư vấn áp dụng công thức giải tích để kiểm tra nhanh ổn định thấm (đẩy bục, xói ngầm) ngay trong giai đoạn lập dự án đầu tư.
  2. Về giải pháp công trình mới: Đề xuất giải pháp "giếng cọc vây" tạo bởi các cọc xi măng đất chồng lấn tạo thành tường liên tục khép kín bao quanh các khu vực ao hồ sát chân đê. Giải pháp giải quyết triệt để xung đột giữa an toàn chống thấm và nhu cầu giữ lại ao hồ nuôi trồng thủy sản của người dân, đồng thời khắc phục nhược điểm tắc nghẽn tầng lọc của giếng giảm áp truyền thống.
  3. Về công nghệ xử lý khẩn cấp: Nghiên cứu thực nghiệm thành công việc ứng dụng công nghệ khoan phụt hóa chất (gốc Sodium Silicate kết hợp xi măng) trong điều kiện địa chất đê điều Hà Nam. Xác lập các thông số cấp phối, thời gian đông kết nhanh và công nghệ thi công phụt nhằm ngăn chặn khẩn cấp các dòng xói ngầm có áp trong mùa lũ.
  4. Về giá trị thực tiễn: Cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật trực tiếp phục vụ công tác quy hoạch, duy tu bảo dưỡng và hộ đê phòng lụt cho Ban Chỉ huy Phòng chống lụt bão và Sở Nông nghiệp & PTNT tỉnh Hà Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường về khoan phụt hóa chất mới tập trung thử nghiệm tại một số vị trí cục bộ (cống Mộc Nam, hỗ trợ phân tích tại cống Tắc Giang); chưa khảo sát biến tính lâu dài của vật liệu silicate dưới tác động rửa trôi hóa học qua nhiều chu kỳ ngập - cạn.
  • Mô hình giải tích đơn giản hóa dựa trên giả thiết tầng cát đồng nhất vô hạn, chưa phản ánh hết sự dị hướng cục bộ của các thấu kính bùn sét trong nền đê.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục theo dõi, quan trắc độ bền cơ học và độ bền thấm lâu dài của khối đất – xi măng – hóa chất tại các công trình thử nghiệm ngoài hiện trường qua nhiều mùa lũ.
  • Hoàn thiện sổ tay hướng dẫn kỹ thuật thi công nhanh công nghệ khoan phụt hóa chất áp lực cao xử lý sự cố mạch đùn, mạch sủi ứng dụng cho các tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng.
  • Mở rộng ứng dụng mô hình giếng cọc vây cho các dạng công trình thủy lợi khác có hố móng nằm gần sông hoặc chịu áp lực nước ngầm cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng:

  • Cơ quan quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Bản đồ phân loại nền đê tỉnh Hà Nam (Phụ lục 11) và các tiêu chí đánh giá an toàn thấm giúp xây dựng phương án trọng điểm hộ đê hàng năm.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Phương pháp tính toán giải tích đơn giản hóa theo EM 1110-2-1914 (Phụ lục 1), bảng thông số địa kỹ thuật các tuyến đê sông Nhuệ, Hữu Hồng, sông Đáy (Phụ lục 2–4), và thiết kế kết cấu giếng cọc vây XMĐ tại Chương 3.
  • Cán bộ nghiên cứu, nghiên cứu sinh ngành Xây dựng công trình thủy, Địa kỹ thuật: Dữ liệu thực nghiệm về cấp phối vữa Sodium Silicate, thời gian keo hóa, cường độ nén nở hông trên máy TYA-300C, và quy trình thí nghiệm đổ nước hố khoan kiểm tra hệ số thấm (Chương 4, Phụ lục 8–10).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các giếng giảm áp truyền thống xây dựng tại vùng đồng bằng sông Hồng thường bị suy giảm hiệu quả sau một thời gian vận hành?
Theo kết quả nghiên cứu và dữ liệu tổng kết từ luận án của Bùi Xuân Trường (2009) được trích dẫn trong văn bản, các giếng giảm áp sau khi đưa vào hoạt động bị suy giảm lưu lượng từ 55%–80% xuống chỉ còn 16%–54%, độ hạ thấp mực nước giảm từ 0,86 m xuống 0,20 m sau 8 năm. Nguyên nhân chính là do hàm lượng ôxít sắt và bùn mịn trong tầng nước ngầm bám dính, gây bồi tắc nghiêm trọng màng lọc ngược và ống lọc của giếng.

2. Nguyên nhân cốt lõi gây ra sự cố sụt lún nghiêm trọng tại cống Tắc Giang ngày 01/8/2012 là gì và đã phải xử lý bằng lượng vữa bù bao nhiêu?
Sự cố cống Tắc Giang xảy ra do hiện tượng xói ngầm trong nền cát và mang cống dưới tác động của chênh lệch mực nước thượng – hạ lưu 2,4 m. Dòng thấm xuất phát từ đoạn đê nối tiếp hai bên mang cống đã cuốn trôi cát nền, tạo khoang rỗng sâu trên 3 m khiến công trình mất ổn định và làm sụt nhà tủ điện vận hành. Quá trình xử lý khẩn cấp đã phải bơm bù 600 $\text{m}^3$ vữa xi măng – cát vào nền và kết hợp khoan phụt Jet-grouting tạo tường chống thấm.

3. Tại sao giải pháp giếng cọc vây bằng xi măng đất được luận án đánh giá là tối ưu hơn giải pháp đắp lấp ao tại đoạn đê Km103 Tả Đáy?
Mặc dù cả hai giải pháp đều đảm bảo an toàn ổn định thấm khi lũ ở mức báo động 3, giải pháp đắp lấp ao đòi hỏi khối lượng đất đắp rất lớn và triệt tiêu toàn bộ diện tích ao hồ nuôi trồng thủy sản của nhân dân địa phương. Giải pháp giếng cọc vây XMĐ tạo thành tường liên tục khép kín cắt ngang dòng thấm áp lực vào đáy ao, vừa đảm bảo an toàn chống bục nền đáy ao, vừa không chiếm dụng đất, giữ nguyên được diện tích mặt nước phục vụ sản xuất dân sinh, đồng thời không phải duy tu súc rửa định kỳ như giếng giảm áp.

4. Trong công nghệ khoan phụt hóa chất sử dụng Sodium Silicate, yếu tố nào khống chế khả năng thâm nhập của vữa vào nền cát hạt mịn?
Khả năng thâm nhập của vữa phụ thuộc vào độ nhớt và hàm lượng silicate trong dung dịch. Theo các số liệu thực nghiệm của US Army Corps (1995) được luận án trình bày, khi hàm lượng silicate nhỏ hơn 60% theo thể tích, độ nhớt chỉ cao hơn nước từ 2,5 đến 20 lần, cho phép vữa thâm nhập tốt vào các lỗ rỗng nhỏ. Khi hàm lượng vượt quá 60%, độ nhớt tăng vọt (ở hàm lượng 70%, độ nhớt gấp 92 lần nước), làm suy giảm đột ngột khả năng thâm nhập của vữa vào tầng đất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Quốc Đạt đã giải quyết trọn vẹn bài toán ổn định thấm nền đê tỉnh Hà Nam thông qua việc chuẩn hóa mô hình địa chất tính toán theo tiêu chuẩn quốc tế và phân vùng mức độ xung yếu các tuyến đê chính. Công trình đã đề xuất thành công giải pháp kết cấu giếng cọc vây xi măng đất giúp bảo vệ an toàn thấm nền đê gắn liền với bảo tồn diện tích nuôi trồng thủy sản của địa phương. Đồng thời, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường về vữa Sodium Silicate kết hợp xi măng đã mở ra hướng đi hiệu quả cho công tác xử lý khẩn cấp hiểm họa xói ngầm, bãi sủi trong mùa lũ bão.