Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống cống dưới đê tại Việt Nam, đặc biệt trên các tuyến đê sông Hồng và sông Thái Bình, đóng vai trò quan trọng trong công tác thủy lợi và bảo vệ đê điều. Theo báo cáo điều tra năm 2005, trong số 855 cống dưới đê được khảo sát, có khoảng 132 cống bị hư hỏng cần sửa chữa, trong đó 15% số cống bị thấm nghiêm trọng. Sự cố cống Tắc Giang xảy ra ngày 01/08/2012 tại tỉnh Hà Nam là một ví dụ điển hình về sự cố xói ngầm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn công trình và hoạt động thủy lợi. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là trình bày các giải pháp xử lý khẩn cấp sự cố cống Tắc Giang và đánh giá hiệu quả xử lý chống thấm bằng tường xi măng đất thi công theo công nghệ Jet-grouting thông qua thí nghiệm “thử tải” tỷ lệ 1:1. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình cống dưới đê bị sự cố xói ngầm, với thời gian nghiên cứu kéo dài hơn một năm, bao gồm quá trình thi công, xử lý sự cố và quan trắc thấm. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật hiệu quả, tiết kiệm chi phí và có thể áp dụng cho các công trình tương tự trên toàn quốc, góp phần nâng cao độ bền vững và an toàn của hệ thống đê điều.

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 hiện tượng thấm và xói ngầm trong nền đất yếu, đặc biệt là:

  • Lý thuyết thấm qua nền đất: Mô hình dòng chảy ngầm trong tầng đất có tính thấm cao, áp dụng các phương trình Darcy và mô phỏng bằng phần mềm SEEP/W của GEO-SLOPE để tính toán áp lực thấm và gradient thấm tại các điểm quan trắc.
  • Mô hình xói ngầm và sạt lở nền công trình: Phân tích cơ chế xói ngầm do dòng thấm mang theo hạt cát nền, gây rỗng và mất ổn định nền móng.
  • Công nghệ Jet-grouting: Lý thuyết về phương pháp khoan phụt vữa xi măng áp lực cao để tạo cột xi măng đất, làm tường chống thấm ngăn dòng thấm qua nền và mang cống.

Các khái niệm chính bao gồm: gradient thấm, tường xi măng đất, khoan phụt Jet-grouting, xói ngầm nền đất, và thử tải công trình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu thiết kế, hồ sơ kỹ thuật thi công cống Tắc Giang; số liệu quan trắc mực nước và áp lực thấm tại 20 điểm đo áp bố trí trên công trình; kết quả khảo sát hiện trường và thí nghiệm mô hình.
  • Phương pháp phân tích:
    • Phân tích tài liệu và khảo sát hiện trường để đánh giá nguyên nhân sự cố.
    • Thí nghiệm mô hình tỷ lệ 1:1 qua quá trình “thử tải” kéo dài 30 ngày, ghi chép số liệu mực nước và áp lực thấm theo từng giờ.
    • Tính toán áp lực thấm và gradient thấm bằng phần mềm SEEP/W, so sánh với kết quả quan trắc thực tế để đánh giá hiệu quả xử lý.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu diễn ra trong hơn một năm, từ khi phát hiện sự cố (08/2012), xử lý khẩn cấp, thi công tường chống thấm bằng Jet-grouting, đến giai đoạn thử tải và quan trắc sau xử lý.

Cỡ mẫu gồm 20 điểm quan trắc áp lực thấm, được chọn theo vị trí chiến lược trên công trình để phản ánh chính xác diễn biến dòng thấm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân sự cố: Sự cố thấm và xói ngầm tại cống Tắc Giang chủ yếu do nền móng đặt trên lớp cát hạt nhỏ có tính thấm mạnh, kết hợp với sai sót trong thi công như thay đổi biện pháp tiêu nước hố móng và không lắp đặt thiết bị quan trắc đúng quy trình. Chênh lệch mực nước thượng – hạ lưu lên đến 2,4m tạo dòng thấm mạnh, gây rỗng nền và lún sụt mang cống.
  2. Hiệu quả xử lý khẩn cấp: Việc đắp đê quây thượng lưu và mở cửa âu thuyền để cân bằng mực nước đã giảm được dòng thấm ngay trong giờ đầu, hạn chế sự phát triển của xói ngầm.
  3. Hiệu quả công nghệ Jet-grouting: Tường xi măng đất thi công bằng công nghệ Jet-grouting đã tạo thành hàng cọc chồng lấn, ngăn chặn dòng thấm hiệu quả. Kết quả quan trắc áp lực thấm tại các giếng đo áp cho thấy áp lực thấm giảm trung bình 40% so với trước xử lý, đồng thời so sánh với kết quả tính toán lý thuyết cho thấy sự phù hợp cao, sai số dưới 10%.
  4. Kết quả thử tải: Thí nghiệm bơm nước tạo chênh lệch mực nước thiết kế (khoảng 4,9m) trong 30 ngày cho thấy không xuất hiện hiện tượng thấm bất thường hay lún sụt mới, khẳng định hiệu quả xử lý bền vững.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sự cố được xác định là sự kết hợp của yếu tố địa chất nền yếu, sai sót trong thi công và quản lý vận hành không tuân thủ quy trình. Việc không lắp đặt thiết bị quan trắc đã làm mất cơ hội phát hiện sớm và xử lý kịp thời. So với các nghiên cứu trước đây về các sự cố cống D10, Vĩnh Mộ và Nhân Hiền, kết quả xử lý bằng Jet-grouting tại Tắc Giang cho thấy hiệu quả vượt trội về mặt kỹ thuật và kinh tế, rút ngắn thời gian thi công từ 2 tháng xuống còn 15 ngày và giảm chi phí khoảng 35%. Dữ liệu áp lực thấm được trình bày qua biểu đồ so sánh trước và sau xử lý, minh họa rõ sự giảm áp lực thấm tại các điểm quan trắc. Kết quả này khẳng định công nghệ Jet-grouting là giải pháp ưu việt cho xử lý sự cố thấm nền cống dưới đê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống quan trắc tự động: Lắp đặt đầy đủ thiết bị đo áp lực thấm và mực nước tại các công trình cống dưới đê để phát hiện sớm hiện tượng thấm, giảm thiểu rủi ro sự cố. Mục tiêu đạt 100% công trình trọng điểm có hệ thống quan trắc trong vòng 1 năm, do các cơ quan quản lý đê điều thực hiện.
  2. Áp dụng công nghệ Jet-grouting rộng rãi: Khuyến khích sử dụng tường xi măng đất thi công bằng Jet-grouting cho các công trình cống dưới đê có nền đất yếu và nguy cơ thấm cao. Thời gian thi công dự kiến rút ngắn 50% so với phương pháp truyền thống, do các nhà thầu chuyên ngành thủy lợi triển khai.
  3. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ Jet-grouting và kỹ thuật thi công chống thấm cho cán bộ kỹ thuật và nhà thầu nhằm đảm bảo chất lượng thi công và hiệu quả xử lý. Thời gian đào tạo 6 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.
  4. Xây dựng quy trình quản lý vận hành nghiêm ngặt: Ban hành và thực hiện nghiêm túc các quy trình vận hành, bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ công trình cống dưới đê, đặc biệt chú trọng đến việc tuân thủ quy trình quan trắc và xử lý sự cố kịp thời. Mục tiêu giảm 30% số vụ sự cố trong 3 năm tới, do các đơn vị quản lý đê điều chịu trách nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật ngành thủy lợi: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về xử lý sự cố cống dưới đê, áp dụng công nghệ mới trong quản lý và vận hành công trình.
  2. Nhà thầu thi công công trình thủy lợi: Học hỏi quy trình thi công Jet-grouting và các giải pháp xử lý nền yếu, nâng cao năng lực thi công và chất lượng công trình.
  3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách đầu tư, bảo trì và nâng cấp hệ thống đê điều, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.
  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi: Tham khảo mô hình nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý sự cố, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao sự cố thấm cống dưới đê thường xảy ra trên nền đất cát?
    Nền đất cát có tính thấm cao, dễ bị xói ngầm khi có dòng thấm mạnh do chênh lệch mực nước. Dòng thấm kéo theo hạt cát gây rỗng nền, mất ổn định công trình.

  2. Công nghệ Jet-grouting có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Jet-grouting tạo ra cột xi măng đất đồng nhất, có độ cứng cao, ngăn chặn dòng thấm hiệu quả, thi công nhanh, phù hợp với điều kiện không gian chật hẹp và nền đất yếu.

  3. Quá trình “thử tải” trong nghiên cứu có ý nghĩa gì?
    “Thử tải” mô phỏng điều kiện vận hành thực tế với chênh lệch mực nước thiết kế, giúp đánh giá chính xác hiệu quả xử lý chống thấm và độ ổn định công trình sau xử lý.

  4. Làm thế nào để phát hiện sớm sự cố thấm cống dưới đê?
    Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động đo áp lực thấm và mực nước, theo dõi liên tục để phát hiện biến động bất thường, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời.

  5. Có thể áp dụng giải pháp xử lý này cho các công trình khác không?
    Có, công nghệ Jet-grouting và quy trình xử lý được đề xuất có thể áp dụng cho nhiều công trình cống dưới đê có nền đất yếu và nguy cơ thấm cao trên toàn quốc.

Kết luận

  • Sự cố cống Tắc Giang là bài học quan trọng về nguyên nhân và giải pháp xử lý sự cố thấm nền cống dưới đê.
  • Công nghệ Jet-grouting đã chứng minh hiệu quả cao trong việc tạo tường chống thấm, giảm áp lực thấm và ngăn chặn xói ngầm.
  • Kết quả thí nghiệm “thử tải” tỷ lệ 1:1 là minh chứng thực tế quý giá, khẳng định tính khả thi của giải pháp.
  • Quy trình xử lý khẩn cấp và quản lý vận hành nghiêm ngặt là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn công trình.
  • Đề nghị các cơ quan quản lý, nhà thầu và cán bộ kỹ thuật áp dụng rộng rãi giải pháp và quy trình nghiên cứu để nâng cao độ bền vững hệ thống đê điều.

Hành động tiếp theo: Triển khai lắp đặt hệ thống quan trắc tại các công trình trọng điểm, đào tạo kỹ thuật Jet-grouting cho đội ngũ thi công, và áp dụng quy trình xử lý sự cố đã được hoàn thiện.