Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hơn 3.260 km bờ biển trải dài qua nhiều vùng địa chất phức tạp, đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế và an ninh quốc phòng. Trong hệ thống 1.450 km đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam, có khoảng 600 km chưa được nâng cấp hoặc chưa đảm bảo cao trình thiết kế an toàn. Phần lớn các tuyến đê hiện hữu chỉ có khả năng chống chịu gió bão cấp 9 kết hợp triều cường trung bình. Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến các sự cố xói lở, trượt mái và lún sụt nghiêm trọng bắt nguồn từ việc đê được xây dựng trực tiếp trên các tầng trầm tích bùn sét mềm yếu ven biển nhưng chưa có giải pháp xử lý móng triệt để.

Công trình tập trung nghiên cứu giải pháp kỹ thuật và kinh tế nhằm xử lý nền đất yếu phục vụ công tác đắp đê ven đầm biển, áp dụng cụ thể cho dự án đê bao Đầm Nại, tỉnh Ninh Thuận. Tuyến đê có tổng chiều dài 6.102 m, giữ nhiệm vụ bảo vệ an toàn đời sống dân sinh và vùng nuôi trồng thủy sản rộng 1.300 ha. Với cao trình đỉnh đê thiết kế +2,71 m, chiều cao đắp trung bình 3,1 m và bề rộng mặt đê 5,0 m, công trình chịu tác động trực tiếp của điều kiện thủy triều và nền địa chất bùn sét dẻo chảy dày từ 2,0 m đến 5,0 m. Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp gia cố nền tối ưu, giúp nâng hệ số ổn định trượt mái K lên trên 1,35, khống chế độ lún dư dài hạn dưới 12 cm và tiết kiệm trên 20% chi phí xây dựng so với các giải pháp móng cứng truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết cố kết thấm một chiều kinh điển của Karl Terzaghi cho bài toán biến dạng của đất sét bão hòa nước theo thời gian. Quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư được xác định thông qua phương trình vi phân đạo hàm riêng liên hệ giữa tốc độ thoát nước và độ giảm thể tích lỗ rỗng, với hệ số cố kết thấm Cv đóng vai trò chủ đạo.

Bên cạnh đó, mô hình đánh giá áp lực nước lỗ rỗng ban đầu của Bishop và Skempton kết hợp với lý thuyết dòng thấm liên tục của Florin được sử dụng để phân tích ứng xử ứng suất - biến dạng của đất dính no nước. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ số áp lực nước lỗ rỗng ban đầu trong nền bùn sét biến thiên từ 0,91 đến 0,97 ở độ sâu dưới 20 m. Các khái niệm then chốt được lượng hóa bao gồm: ứng suất hữu hiệu, hệ số rỗng ban đầu e lớn hơn 1,0, độ bão hòa G vượt 90%, hệ số nén lún a1-2 dao động 0,078 - 0,140 cm2/kg và mô đun tổng biến dạng Eo dưới 50 kg/cm2.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được xây dựng từ 45 bộ mẫu đất nguyên dạng và mẫu xáo trộn thu thập từ 12 hố khoan khảo sát địa chất công trình dọc tuyến đê Đầm Nại với chiều sâu khoan từ 10 m đến 25 m. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo vị trí tuyến và các lớp địa chất đặc trưng được áp dụng nhằm đảm bảo tính đại diện cho toàn bộ 5 lớp đất chính tại khu vực đầm phá.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa thí nghiệm cơ lý trong phòng (nén ba trục sơ đồ CU và CD, cắt cánh hiện trường, nén cố kết không nở hông) và mô hình hóa số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Việc lựa chọn phương pháp mô phỏng số nhiều giai đoạn xuất phát từ yêu cầu phải tính toán chính xác quá trình gia tăng áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng từ biến của nền đất dưới tải trọng đắp phân kỳ theo thời gian thực. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu hiện trường, phân tích phòng thí nghiệm và mô phỏng số được tiến hành đồng bộ trong giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích địa tầng tuyến đê Đầm Nại phát hiện lớp bùn sét dẻo chảy phân bố rộng khắp với bề dày từ 2,0 m đến 5,0 m ngay dưới lớp đất đắp mặt. Lớp bùn này có độ ẩm tự nhiên cao 22,4 - 46,1%, hệ số rỗng e vượt mức 1,2 và sức chịu tải quy ước chỉ đạt 0,4 - 0,6 kg/cm2, làm giảm khoảng 40% khả năng chịu tải của đất nền so với đất sét bão hòa thông thường.

Mô phỏng 7 giai đoạn thi công đắp đê cho thấy giải pháp sử dụng bấc thấm thẳng đứng PVD (khoảng cách 1,3 m bố trí theo lưới tam giác) kết hợp tầng đệm cát thoát nước dày 0,5 m giúp độ cố kết của nền đạt 85% sau 180 ngày thi công. Giải pháp này giúp rút ngắn 55% thời gian chờ lún so với trường hợp cố kết tự nhiên không có thiết bị tiêu nước (vốn cần hơn 400 ngày).

Ứng suất hữu hiệu thẳng đứng trong nền đất tăng trưởng đều đặn từ 15 kPa lên 85 kPa qua các giai đoạn đắp tải, chuyển vị ngang lớn nhất ở chân mái đê được khống chế ở mức 6,5 cm, và độ lún tổng cộng đạt 48 cm trong giai đoạn thi công, đưa độ lún dư trong thời gian vận hành xuống dưới 10 cm.

So sánh kinh tế kỹ thuật giữa các giải pháp khẳng định: phương án gia cố bằng bấc thấm kết hợp vải địa kỹ thuật cường độ cao (chịu kéo trên 100 kN/m) có tổng chi phí xây lắp thấp hơn 22,5% so với phương án cọc xi măng đất đường kính 0,6 m và thấp hơn 18,3% so với phương án thay toàn bộ nền bằng đệm cát dày 3 m.

Thảo luận kết quả

Cơ chế mang lại hiệu quả vượt trội của giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước là sự rút ngắn đáng kể chiều dài đường thấm của nước lỗ rỗng từ vài mét xuống chỉ còn vài chục centimet. Khi áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tiêu tán nhanh chóng, ứng suất pháp hữu hiệu của khung cốt đất gia tăng tương ứng, làm tăng nhanh cường độ kháng cắt của lớp bùn sét và ngăn ngừa hiện tượng trồi đất tại chân mái đê.

So sánh với các công trình thực tế như sự cố lún sụt 1,6 m tại cống Trà Linh (Thái Bình) hay sự cố tràn Dương Thiện (Bình Định), kết quả của nghiên cứu đã khắc phục triệt để nhược điểm đắp đất nhanh trên nền bùn chưa gia cố. Toàn bộ diễn biến ứng suất và biến dạng được mô tả trực quan qua biểu đồ đường cong quan hệ lún - thời gian, biểu đồ đẳng mức áp lực nước lỗ rỗng và bảng so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của 4 phương án móng, cung cấp cơ sở tin cậy cho thiết kế chi tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, áp dụng quy trình thi công đắp đê phân kỳ 3 giai đoạn kết hợp gia tải từng bước: rải vải địa kỹ thuật dệt chịu kéo hai chiều, thi công đệm cát thoát nước dày 0,5 m, cắm bấc thấm PVD chiều sâu 6 - 8 m theo lưới tam giác cự ly 1,3 m, sau đó đắp đất thân đê theo từng lớp 0,3 - 0,4 m với độ chặt đầm nén yêu cầu đạt K từ 0,95 trở lên. Thời gian thi công thực hiện trong 6 đến 8 tháng. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Ngành Nông nghiệp tỉnh Ninh Thuận và nhà thầu xây lắp.

Thứ hai, thiết kế kết cấu bảo vệ mái đê bằng đá lát khan dày 25 cm đặt trên lớp dăm đệm dày 10 cm và chân khay đá hộc thả rối dày 50 cm nhằm chống xói lở do sóng triều, nâng hệ số an toàn ổn định tổng thể K của mái đê đạt mức trên 1,35. Thời gian thực hiện trong giai đoạn hoàn thiện công trình. Chủ thể thực hiện là Đơn vị Tư vấn Thiết kế và Nhà thầu Thi công.

Thứ ba, thiết lập hệ thống quan trắc địa kỹ thuật tự động gồm 6 cụm đầu đo áp lực nước lỗ rỗng Piezometer và 12 mốc đo lún bề mặt dọc theo tuyến đê 6.102 m. Tần suất quan trắc duy trì 3 ngày/lần trong quá trình đắp tải và 15 ngày/lần sau khi hoàn thành đắp để kiểm soát tốc độ gia tải, ngăn chặn nguy cơ trượt lún đột ngột. Thời gian duy trì liên tục trong suốt quá trình xây dựng và 12 tháng vận hành đầu tiên. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Kiểm định Chất lượng Công trình Xây dựng.

Thứ tư, hoàn thiện quy hoạch đồng bộ hệ thống 5 cống tiêu thoát lũ dưới đê với khẩu độ thiết kế đảm bảo tiêu thoát lưu lượng lũ bảo vệ 1.300 ha đất sản xuất khi mực nước triều dâng cao vượt mức +2,0 m. Thời gian triển khai từ năm 2018 đến năm 2020. Chủ thể thực hiện là Ủy ban Nhân dân tỉnh Ninh Thuận phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy lợi và giao thông ven biển có thể ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán số mô phỏng bài toán cố kết thấm nhiều giai đoạn, giúp tối ưu hóa kích thước hình học mặt cắt đê và lựa chọn khoảng cách cắm bấc thấm hợp lý cho các dự án kè biển miền Trung.

Cán bộ quản lý dự án tại các Ban Quản lý Đầu tư Xây dựng Thủy lợi và cơ quan quản lý đê điều cấp tỉnh có thêm cơ sở khoa học để thẩm định hồ sơ thiết kế, lựa chọn phương án xử lý nền đất yếu cân đối giữa mục tiêu an toàn kỹ thuật và hiệu quả kinh tế.

Các doanh nghiệp và chỉ huy trưởng công trình thi công hạ tầng ven biển có thể khai thác quy trình kiểm soát tốc độ đắp tải ngoài hiện trường, biện pháp thi công bấc thấm và giải pháp chống trượt cung sâu khi thi công trên nền bùn lầy bão hòa nước.

Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy, Địa kỹ thuật Công trình sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu mở rộng về ứng dụng mô hình số trong phân tích tương tác đất - công trình đắp ven biển.

Câu hỏi thường gặp

Đặc điểm địa chất đặc trưng của nền đất khu vực đê Đầm Nại là gì? Địa tầng khu vực gồm lớp đất đắp bề mặt 0,6 - 1,0 m, ngay phía dưới là lớp bùn sét dẻo chảy dày 2,0 - 5,0 m có độ bão hòa nước trên 90%, hệ số rỗng e lớn hơn 1,2 và sức chịu tải rất thấp từ 0,4 đến 0,6 kg/cm2, rất dễ mất ổn định khi chịu tải trọng đắp.

Tại sao giải pháp bấc thấm kết hợp gia tải trước lại tối ưu hơn cọc xi măng đất? Giải pháp bấc thấm kết hợp đệm cát và gia tải trước tận dụng được vật liệu địa phương, đạt 85% độ cố kết sau 180 ngày và tiết kiệm 22,5% chi phí xây lắp so với cọc xi măng đất, đồng thời hoàn toàn phù hợp với mặt bằng thi công trải dài 6.102 m.

Lý thuyết cố kết Terzaghi đóng vai trò gì trong tính toán đê Đầm Nại? Lý thuyết Terzaghi cung cấp phương trình vi phân mô tả quy luật tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, làm cơ sở xác định tốc độ gia tăng ứng suất hữu hiệu và độ lún ổn định của nền đê qua 7 giai đoạn đắp tải.

Làm thế nào để kiểm soát an toàn chống trượt lún thân đê trong quá trình thi công? Công trình kiểm soát an toàn bằng cách đắp đất phân kỳ thành nhiều lớp mỏng từ 0,3 đến 0,4 m, kết hợp đo áp lực nước lỗ rỗng qua cảm biến định kỳ 3 ngày/lần để điều chỉnh tốc độ đắp, đảm bảo hệ số an toàn ổn định K luôn lớn hơn 1,35.

Luận văn giải quyết vấn đề ổn định mái đê trước tác động của sóng và triều cường như thế nào? Mái đê phía biển được thiết kế với hệ số mái dốc m = 2,5, lát đá khan dày 25 cm trên tầng lọc dăm và chân đê được khóa bằng lăng trụ đá hộc dày 50 cm, giúp triệt tiêu năng lượng sóng và ngăn xói ngầm thân đê.

Kết luận

  • Hệ thống hóa toàn diện đặc điểm địa chất công trình và nguyên nhân gây sự cố trượt lún tại các tuyến đê biển miền Trung với hơn 3.260 km bờ biển.
  • Vận dụng thành công lý thuyết cố kết Terzaghi và phương trình áp lực nước lỗ rỗng Bishop để mô phỏng chính xác ứng xử cơ lý của nền bùn sét qua 7 giai đoạn đắp tải.
  • Xác định giải pháp bấc thấm PVD kết hợp vải địa kỹ thuật là phương án tối ưu cho tuyến đê Đầm Nại dài 6.102 m, rút ngắn thời gian lún 55% và giảm chi phí xây lắp 22,5%.
  • Đề xuất quy trình thi công phân kỳ và công nghệ kiểm soát đắp tải đảm bảo độ lún dư sau thi công dưới 10 cm và hệ số ổn định trượt K vượt 1,35.
  • Thiết lập kế hoạch quan trắc địa kỹ thuật đồng bộ và đề xuất lộ trình nâng cấp hệ thống cống tiêu lũ bảo vệ 1.300 ha vùng dự án trong giai đoạn tiếp theo.

Các kỹ sư và nhà quản lý công trình thủy lợi hãy ứng dụng ngay giải pháp xử lý nền đất yếu bằng bấc thấm kết hợp mô hình quan trắc phân kỳ của luận văn vào thực tiễn thiết kế để nâng cao tuổi thọ và độ an toàn cho hệ thống đê kè ven biển.