Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Thanh Hóa, với hệ thống 24 sông lớn nhỏ như sông Mã, sông Chu, sông Yên, có tổng chiều dài đê lên đến khoảng 1.008 km, bảo vệ cho 17 huyện, thị, thành phố và 450 xã, trong đó 296 xã có đê đi qua. Dân số được bảo vệ ước tính khoảng 2,5 triệu người, chiếm 83,4% dân số toàn tỉnh, đồng thời bảo vệ các trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị quan trọng. Tuy nhiên, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và đặc điểm địa chất không đồng nhất, các đoạn đê trên sông Chu, đặc biệt đoạn từ K38+700 đến K39+300, đã xuất hiện nhiều hiện tượng thấm ngược, sạt lở, lún sụt nghiêm trọng, đe dọa an toàn công trình và tính mạng người dân.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất các giải pháp kỹ thuật xử lý đoạn đê xung yếu này nhằm ngăn chặn sạt lở, giảm thiểu thiệt hại do mưa lũ, góp phần ổn định dân cư và phát triển kinh tế - xã hội địa phương. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn đê hữu sông Chu từ K38+700 đến K39+300, thuộc xã Thiệu Tâm, huyện Thiệu Hóa, tỉnh Thanh Hóa, trong bối cảnh các sự cố sạt lở đã diễn ra từ năm 2005 đến 2011 với nhiều lần xử lý chưa triệt để.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền vững của hệ thống đê điều, bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản của người dân, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các công trình phòng chống thiên tai tại khu vực miền Trung nói chung và tỉnh Thanh Hóa nói riêng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết dòng thấm trong môi trường đa lớp không đồng nhất: Phương trình vi phân mô tả dòng thấm ổn định trong môi trường thấm với các giả thiết về hệ số thấm, áp lực nước lỗ rỗng, được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Phương pháp số hiện đại, cho phép phân tích trạng thái thấm và ổn định đê trong môi trường địa chất phức tạp, với khả năng mô hình hóa các lớp đất có tính chất cơ lý khác nhau.
  • Phân tích ổn định mái dốc bằng các phương pháp cân bằng giới hạn: Bao gồm phương pháp Fellenius, Bishop đơn giản, Janbu tổng quát, giúp xác định hệ số an toàn của mái đê dưới tác động của áp lực thấm và tải trọng khác.
  • Các khái niệm chính: gradient thấm, áp lực nước lỗ rỗng, hệ số thấm, hệ số an toàn ổn định, mặt trượt nguy hiểm, mô hình địa chất công trình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực địa về địa hình, địa chất, thủy văn, khảo sát hiện trạng đoạn đê từ K38+700 đến K39+300; số liệu thí nghiệm cơ lý đất; tài liệu kỹ thuật và các báo cáo liên quan.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm GEOSTUDIO với các mô-đun SEEP/W để tính toán dòng thấm và SLOPE/W để phân tích ổn định mái đê. Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để mô phỏng trạng thái thấm và ổn định tổng thể.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2014, bao gồm khảo sát thực địa, thu thập số liệu, phân tích mô hình, tính toán và đề xuất giải pháp kỹ thuật.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lựa chọn mặt cắt tiêu biểu tại các vị trí K38+780, K38+960, K39+150 để phân tích chi tiết, dựa trên hiện trạng sạt lở và thấm ngược nghiêm trọng.
  • Phương pháp tổng hợp: Kế thừa kết quả nghiên cứu trước đây, phân tích số liệu thực đo, điều tra thực địa và mô phỏng số học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng sạt lở và thấm ngược nghiêm trọng: Đoạn đê từ K38+700 đến K39+300 đã xảy ra nhiều sự cố như hố sụt, rãnh xói, nứt sạt mái đê với kích thước hố sụt lên đến 8m x 6m, sâu 1,2m; hiện tượng vòi thấm tại K38+950 và K39+000 vẫn tiếp tục phát triển, gây nguy hiểm cho an toàn đê.
  2. Nguyên nhân thấm ngược: Do sự tồn tại các lớp đất có tính thấm mạnh trong nền đê, kết hợp với chênh lệch mực nước giữa sông và đồng, tạo dòng thấm từ đồng sang sông. Hệ số thấm hiện trường của lớp xi măng đất được xác định khoảng 2,6 x 10^-6 cm/s, cho thấy nền đê có tính thấm không đồng đều.
  3. Phân tích trạng thái thấm và ổn định bằng phần tử hữu hạn: Kết quả tính toán cho thấy gradient thấm tại các mặt cắt tiêu biểu vượt ngưỡng an toàn, hệ số an toàn ổn định mái đê thấp hơn 1,2 tại nhiều vị trí, đặc biệt trong mùa lũ, cảnh báo nguy cơ sạt trượt cao.
  4. Đánh giá các giải pháp kỹ thuật: Giải pháp xây dựng tường chống thấm dưới nền đê tại vị trí thềm cơ hẹp phía đồng là phù hợp nhất, vừa giảm gradient áp lực thấm, vừa không ảnh hưởng đến diện tích đất canh tác và dân cư. Các giải pháp khác như khoan phụt vữa, giếng giảm áp sâu, đắp sân phủ chống thấm có hạn chế về chi phí, kỹ thuật và phạm vi áp dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng thấm ngược và sạt lở là do đặc điểm địa chất nền không đồng nhất, với các lớp đất có hệ số thấm cao xen kẽ lớp đất sét dẻo cứng. Sự chênh lệch mực nước giữa sông và đồng tạo áp lực thấm lớn, làm giảm hệ số an toàn mái đê. Kết quả mô phỏng bằng phần tử hữu hạn cho phép đánh giá chính xác các trạng thái thấm và ổn định, hỗ trợ lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành thủy lợi, việc sử dụng phần mềm GEOSTUDIO và phương pháp phần tử hữu hạn được đánh giá là hiệu quả trong việc mô phỏng các bài toán phức tạp về thấm và ổn định đê điều. Giải pháp tường chống thấm dưới nền đê được đề xuất phù hợp với điều kiện địa hình và dân cư tại khu vực nghiên cứu, đồng thời khắc phục được nhược điểm của các biện pháp truyền thống như khoan phụt vữa hay giếng giảm áp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ gradient thấm, bản đồ phân bố áp lực nước lỗ rỗng, và bảng hệ số an toàn mái đê tại các mặt cắt tiêu biểu, giúp minh họa rõ ràng mức độ nguy hiểm và hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng tường chống thấm dưới nền đê phía đồng: Triển khai thi công tường chống thấm tại thềm cơ hẹp phía đồng, nhằm kéo dài đường thấm, giảm gradient áp lực thấm. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12 tháng, do Ban Quản lý dự án đê điều tỉnh Thanh Hóa chủ trì.
  2. Tăng cường giám sát và bảo trì hệ thống đê: Thiết lập hệ thống quan trắc mực nước, áp lực thấm và biến dạng đê thường xuyên, đặc biệt trong mùa lũ, nhằm phát hiện sớm các hiện tượng bất thường. Thực hiện liên tục hàng năm bởi Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.
  3. Chuyển đổi cơ cấu sử dụng đất phía trong đê: Khuyến khích giảm diện tích ao hồ nuôi cá, chuyển sang trồng cây màu hoặc cây lâu năm để giảm nguồn nước thấm ngược, đồng thời cải thiện điều kiện sinh thái. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm, phối hợp với chính quyền địa phương và người dân.
  4. Nâng cao năng lực kỹ thuật và đào tạo chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật xử lý thấm và ổn định đê cho cán bộ kỹ thuật và công nhân thi công, nhằm đảm bảo chất lượng công trình. Thực hiện định kỳ hàng năm bởi các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.
  5. Nghiên cứu bổ sung và áp dụng công nghệ mới: Tiếp tục nghiên cứu các vật liệu gia cố nền đê mới, công nghệ khoan phụt vữa cải tiến, và các giải pháp giảm áp lực thấm hiệu quả hơn. Thời gian nghiên cứu kéo dài 2-3 năm, phối hợp với viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý và kỹ sư công trình thủy lợi: Nhận được kiến thức chuyên sâu về tính toán thấm và ổn định đê, áp dụng các giải pháp kỹ thuật phù hợp cho công tác bảo trì và nâng cấp đê điều.
  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Học hỏi phương pháp nghiên cứu khoa học, ứng dụng phần tử hữu hạn trong phân tích địa kỹ thuật, nâng cao năng lực nghiên cứu và thực hành.
  3. Chính quyền địa phương và cơ quan phòng chống thiên tai: Hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp xử lý các đoạn đê xung yếu, từ đó xây dựng kế hoạch phòng chống lũ lụt hiệu quả, bảo vệ an toàn dân cư.
  4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp xây dựng: Đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của các giải pháp gia cố đê, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đoạn đê sông Chu từ K38+700 đến K39+300 lại bị sạt lở nghiêm trọng?
    Nguyên nhân chính là do nền đê có các lớp đất thấm mạnh kết hợp với chênh lệch mực nước giữa sông và đồng, tạo dòng thấm ngược từ đồng sang sông, làm giảm ổn định mái đê và gây sạt lở.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép mô hình hóa chính xác trạng thái thấm và ổn định trong môi trường địa chất phức tạp, xử lý các lớp đất có tính chất khác nhau, giúp đưa ra kết quả tin cậy và hỗ trợ lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  3. Giải pháp tường chống thấm dưới nền đê có những ưu điểm gì?
    Giải pháp này kéo dài đường thấm, giảm gradient áp lực thấm mà không chiếm diện tích đất canh tác, có độ bền lâu dài và phù hợp với điều kiện địa hình hẹp, đặc biệt là khu vực có thềm cơ hẹp phía đồng.

  4. Tại sao các giải pháp như khoan phụt vữa hay giếng giảm áp sâu chưa hiệu quả?
    Khoan phụt vữa có chi phí cao, kỹ thuật phức tạp và hiệu quả giảm thấm thấp khi tầng thấm dày; giếng giảm áp sâu đòi hỏi bảo trì thường xuyên và kỹ thuật thi công khó khăn, không phù hợp với điều kiện địa phương.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu tác động đến đời sống dân sinh khi thực hiện các giải pháp xử lý đê?
    Cần lựa chọn giải pháp ít ảnh hưởng đến diện tích đất canh tác và khu dân cư, phối hợp chặt chẽ với chính quyền và người dân trong việc chuyển đổi cơ cấu sử dụng đất, đồng thời tổ chức tuyên truyền và hỗ trợ kỹ thuật.

Kết luận

  • Đoạn đê hữu sông Chu từ K38+700 đến K39+300 là khu vực xung yếu với hiện tượng thấm ngược và sạt lở nghiêm trọng, đe dọa an toàn công trình và dân sinh.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp phần mềm GEOSTUDIO đã được áp dụng thành công để phân tích trạng thái thấm và ổn định mái đê, cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật.
  • Giải pháp xây dựng tường chống thấm dưới nền đê phía đồng được đề xuất là phương án tối ưu, vừa hiệu quả kỹ thuật, vừa phù hợp điều kiện địa phương.
  • Cần triển khai đồng bộ các giải pháp giám sát, bảo trì, chuyển đổi cơ cấu sử dụng đất và nâng cao năng lực kỹ thuật để đảm bảo an toàn đê điều lâu dài.
  • Các bước tiếp theo bao gồm lập dự án thi công chi tiết, huy động nguồn lực và tổ chức đào tạo chuyên môn, nhằm hiện thực hóa các giải pháp đề xuất, góp phần bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản người dân.

Quý độc giả và các cơ quan liên quan được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả công tác quản lý và bảo vệ hệ thống đê điều tại Thanh Hóa và các vùng tương tự.