I. Tổng quan dự án kênh Nghi Xuyên và thách thức nền đất yếu
Dự án đầu tư Xây dựng Trạm bơm Nghi Xuyên, huyện Khoái Châu, tỉnh Hưng Yên là một công trình thủy lợi trọng điểm, đóng vai trò then chốt trong việc tiêu úng và cung cấp nước tưới cho nông nghiệp khu vực. Tuyến kênh xả của dự án, với tổng chiều dài 25m, có nhiệm vụ vận chuyển nước từ cống xả ngầm ra sông Hồng. Tuy nhiên, một thách thức lớn mà dự án phải đối mặt là điều kiện địa chất phức tạp. Toàn bộ tuyến kênh được xây dựng trên nền đất yếu, một đặc điểm đất yếu đồng bằng sông Hồng điển hình. Theo kết quả khảo sát địa chất Hưng Yên, nền đất tại đây bao gồm các lớp đất phù sa, đất sét và á sét ở trạng thái bão hòa nước, có sức chịu tải thấp, tính nén lún cao và độ ổn định kém. Cụ thể, các chỉ tiêu cơ lý cho thấy hệ số rỗng lớn (ε > 1,0), độ sệt cao (B > 1), và mô-đun biến dạng rất bé (E < 50kg/cm2). Những đặc tính này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải có một giải pháp xử lý nền đất yếu kênh xả Nghi Xuyên, Hưng Yên hiệu quả và bền vững. Nếu không được gia cố nền đất yếu một cách triệt để, công trình có nguy cơ đối mặt với các vấn đề nghiêm trọng như lún không đều, biến dạng quá mức và đặc biệt là nguy cơ chống sạt lở bờ kênh, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và sự an toàn của toàn bộ hệ thống. Do đó, việc nghiên cứu và lựa chọn phương án xử lý nền phù hợp, tối ưu cả về kinh tế và kỹ thuật, là yếu tố quyết định sự thành công của dự án kênh Nghi Xuyên.
1.1. Vị trí và vai trò của dự án kênh xả Nghi Xuyên
Kênh xả trạm bơm Nghi Xuyên là hạng mục cuối cùng trong hệ thống, nối tiếp sau cống xả ngầm và có nhiệm vụ tiêu thoát nước ra sông Hồng. Vị trí của kênh cắt qua đê ngoài và bãi sông, một khu vực có cấu trúc địa chất công trình không đồng nhất. Vai trò của kênh xả không chỉ là thoát nước mà còn phải đảm bảo sự ổn định cho các công trình lân cận, đặc biệt là hệ thống kè mỏ hàn hiện hữu. Thất bại trong việc ổn định nền đất tại đây có thể gây ra hiệu ứng domino, ảnh hưởng đến an toàn của toàn tuyến đê và gây ra xói lở bờ sông.
1.2. Đặc điểm địa chất và các chỉ tiêu cơ lý của nền đất yếu
Tài liệu khảo sát địa chất cho thấy nền đất khu vực kênh xả có nhiều lớp đất yếu xen kẽ. Lớp trên cùng là đất sét pha, á sét dẻo chảy, bão hòa nước. Phía dưới là các lớp bùn sét, bùn hữu cơ với cường độ kháng cắt rất thấp. Các chỉ tiêu cơ lý trung bình từ các mẫu đất cho thấy lực dính (C) chỉ từ 0,10 - 0,15 daN/cm2 và góc nội ma sát (φ) gần như bằng không. Độ lún dự kiến nếu không xử lý có thể vượt xa giới hạn cho phép, đòi hỏi phải có các biện pháp thi công trên đất yếu chuyên biệt và hiệu quả.
II. Phân tích thách thức khi thi công trên nền đất yếu Nghi Xuyên
Việc thi công kè kênh mương trên nền đất yếu như tại Nghi Xuyên đặt ra hàng loạt thách thức kỹ thuật phức tạp. Thách thức lớn nhất là sức chịu tải tự nhiên của nền đất quá thấp, không đủ để chịu tải trọng của kết cấu kênh và áp lực nước khi vận hành. Điều này dẫn đến nguy cơ mất ổn định tổng thể, đặc biệt là hiện tượng trượt sâu của mái kênh. Một vấn đề khác là độ lún lớn và kéo dài theo thời gian. Nền đất yếu có xu hướng cố kết chậm, khiến cho việc quan trắc lún trở nên khó khăn và công trình có thể tiếp tục biến dạng sau khi đã đưa vào sử dụng, gây nứt vỡ kết cấu. Quá trình thi công cũng gặp nhiều trở ngại. Việc đào đắp, vận chuyển vật liệu và di chuyển máy móc nặng trên nền đất yếu dễ gây ra hiện tượng phá hoại cục bộ, sình lầy, làm chậm tiến độ và tăng chi phí xử lý nền đất yếu. Hơn nữa, mực nước ngầm cao và thường xuyên biến động theo chế độ thủy văn sông Hồng cũng là một yếu tố gây bất lợi, làm giảm cường độ của đất và tăng áp lực đẩy nổi lên công trình. Việc lựa chọn giải pháp không chỉ cần tuân thủ tiêu chuẩn xử lý nền đất yếu (như TCVN, 22TCN) mà còn phải xem xét đến tính khả thi trong điều kiện thi công thực tế tại Hưng Yên. Do đó, việc thiết kế kết cấu móng và lựa chọn giải pháp gia cố phải là một tổ hợp đồng bộ, giải quyết triệt để các vấn đề từ sức chịu tải, độ lún đến ổn định mái dốc.
2.1. Nguy cơ mất ổn định mái kênh và hiện tượng trượt sâu
Phân tích ổn định bằng các phần mềm chuyên dụng như Geo-Slope và Plaxis cho thấy, với mái kênh thiết kế ban đầu, hệ số an toàn ổn định rất thấp, đặc biệt trong trường hợp kênh đầy nước. Vùng trượt nguy hiểm có thể phát triển sâu xuống các lớp bùn yếu bên dưới, gây ra hiện tượng trượt tổng thể, phá hoại toàn bộ kết cấu. Đây là rủi ro lớn nhất cần được kiểm soát thông qua các biện pháp chống sạt lở bờ kênh hiệu quả.
2.2. Vấn đề lún cố kết kéo dài và biến dạng không đều
Do nền đất có hệ số thấm rất thấp, quá trình thoát nước lỗ rỗng và cố kết diễn ra rất chậm. Độ lún cuối cùng có thể lên tới hàng chục centimet và kéo dài trong nhiều năm. Quan trọng hơn, do tính không đồng nhất của các lớp đất, hiện tượng lún không đều rất dễ xảy ra, gây ứng suất phụ và nứt gãy trong kết cấu bê tông của kênh. Việc cải tạo nền móng công trình phải nhắm đến mục tiêu rút ngắn thời gian cố kết.
2.3. Khó khăn trong công tác tổ chức thi công và quản lý chi phí
Thi công trên nền đất yếu đòi hỏi các biện pháp đặc biệt như làm đường công vụ, sử dụng thiết bị nhẹ hoặc có áp lực lên đất nhỏ, và các biện pháp thoát nước bề mặt phức tạp. Tất cả những yếu tố này làm tăng đáng kể chi phí xử lý nền đất yếu. Việc lựa chọn một giải pháp vừa đảm bảo kỹ thuật vừa tối ưu về mặt kinh tế là bài toán cốt lõi cho nhà thiết kế.
III. Giải pháp cọc xi măng đất CDM tối ưu cho nền đất yếu
Một trong những giải pháp hiện đại và hiệu quả được xem xét cho dự án kênh xả Nghi Xuyên là sử dụng cọc xi măng đất (CDM), hay còn gọi là công nghệ trộn sâu (Deep Mixing Method). Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là dùng máy khoan chuyên dụng có gắn cánh trộn để khoan sâu vào lòng đất, đồng thời phun một lượng xi măng (hoặc vữa xi măng) theo tỷ lệ tính toán trước để trộn đều với đất yếu tại chỗ. Quá trình này tạo ra một loạt các phản ứng hóa học và thủy hóa, biến đổi đất yếu thành các trụ vật liệu có cường độ và tính ổn định cao hơn rất nhiều. Giải pháp gia cố nền đất yếu bằng CDM mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, nó cải thiện đáng kể sức chịu tải của nền, tạo ra một khối móng gia cố đồng nhất có khả năng chịu được tải trọng của công trình. Thứ hai, các hàng cọc xi măng đất đóng vai trò như những bức tường chắn, làm tăng hệ số an toàn chống trượt sâu cho mái kênh. Thứ ba, phương pháp này có thể thi công nhanh, ít ảnh hưởng đến môi trường xung quanh và có thể áp dụng trong điều kiện mặt bằng chật hẹp hoặc ngập nước. Việc thiết kế kết cấu móng với cọc CDM yêu cầu tính toán chi tiết về đường kính cọc, khoảng cách, chiều sâu và hàm lượng xi măng để đảm bảo ổn định nền đất một cách toàn diện và kinh tế nhất.
3.1. Nguyên lý hóa học và cơ chế làm việc của cọc xi măng đất
Khi xi măng được trộn với đất yếu, phản ứng thủy hóa xảy ra, tạo thành các gel silicat canxi ngậm nước (CSH-gel) và hydroxit canxi. Các hợp chất này lấp đầy lỗ rỗng và liên kết các hạt đất lại với nhau, hình thành một bộ khung xương cứng. Theo thời gian, cường độ của khối xi măng đất tăng dần. Cơ chế làm việc của hệ cọc là truyền tải trọng công trình xuống các lớp đất tốt hơn bên dưới và phân bố lại ứng suất trong nền, giảm độ lún và tăng cường độ kháng cắt tổng thể của khối đất.
3.2. Quy trình thi công và kiểm soát chất lượng cọc CDM
Quy trình thi công cọc CDM bao gồm các bước chính: định vị, hạ cần khoan và trộn đến độ sâu thiết kế, vừa rút cần khoan vừa phun trộn xi măng, và lặp lại quá trình trộn nếu cần. Việc kiểm soát chất lượng là cực kỳ quan trọng, bao gồm kiểm tra tỷ lệ xi măng-nước, tốc độ khoan rút, áp lực phun, và độ thẳng đứng của cọc. Sau khi thi công, cần tiến hành các thí nghiệm kiểm tra như khoan lấy lõi hoặc thí nghiệm xuyên tĩnh để xác nhận cường độ và tính đồng nhất của cọc.
IV. Phương pháp thay đất vải địa kỹ thuật và đắp phản áp
Bên cạnh giải pháp công nghệ cao như cọc CDM, một tổ hợp các biện pháp thi công trên đất yếu truyền thống nhưng hiệu quả cũng được phân tích kỹ lưỡng cho dự án Nghi Xuyên. Phương án này là sự kết hợp của ba yếu tố: thay một phần lớp đất yếu bề mặt, sử dụng vải địa kỹ thuật và đắp bệ phản áp. Đầu tiên, lớp bùn và đất hữu cơ yếu nhất ở bề mặt sẽ được bóc bỏ và thay thế bằng một lớp đệm cát hoặc đất tốt được đầm chặt. Lớp đệm này có tác dụng phân bố đều tải trọng và tạo mặt bằng thi công ổn định. Tiếp theo, một hoặc nhiều lớp vải địa kỹ thuật cường độ cao được trải lên trên lớp đất yếu hoặc giữa các lớp đất đắp. Vải địa kỹ thuật đóng vai trò như một lớp cốt gia cường, tăng cường khả năng chịu kéo của nền đất, ngăn chặn sự hình thành và phát triển của cung trượt, từ đó tăng cường ổn định nền đất và chống sạt lở bờ kênh. Cuối cùng, để tăng cường ổn định cho mái kênh phía ngoài, biện pháp đắp bệ phản áp được áp dụng. Bệ phản áp là một khối đất đắp có trọng lượng đủ lớn, đặt ở chân mái dốc để tạo ra một mô men chống lại mô men gây trượt, làm tăng đáng kể hệ số an toàn. Sự kết hợp này là một giải pháp cải tạo nền móng công trình toàn diện, vừa xử lý được vấn đề sức chịu tải, vừa giải quyết triệt để bài toán ổn định mái dốc.
4.1. Vai trò của vải địa kỹ thuật trong việc gia cường nền đất
Vải địa kỹ thuật hoạt động dựa trên nguyên lý chịu kéo. Khi khối đất có xu hướng dịch chuyển hoặc trượt, lớp vải sẽ bị kéo căng và huy động lực kháng kéo để chống lại sự dịch chuyển đó. Ngoài chức năng gia cường, vải địa kỹ thuật còn có tác dụng phân cách, ngăn không cho vật liệu đắp bị trộn lẫn với lớp đất yếu bên dưới, và chức năng tiêu thoát nước, giúp quá trình cố kết của nền diễn ra nhanh hơn. Lựa chọn loại vải và chiều dài neo là các yếu tố then chốt trong thiết kế.
4.2. Nguyên lý và tính toán thiết kế bệ phản áp chống trượt
Bệ phản áp làm tăng áp lực thụ động ở chân mái dốc. Trọng lượng của khối đất đắp phản áp tạo ra một lực chống trượt, trực tiếp làm tăng hệ số an toàn ổn định. Kích thước (chiều rộng, chiều cao) của bệ phản áp được xác định thông qua tính toán phân tích ổn định, đảm bảo hệ số an toàn đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn xử lý nền đất yếu. Giải pháp này đơn giản, dễ thi công nhưng đòi hỏi diện tích mặt bằng đủ rộng.
V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả tại kênh xả Nghi Xuyên
Qua quá trình phân tích, so sánh các phương án dựa trên tiêu chí kỹ thuật, kinh tế và điều kiện thi công thực tế, dự án kênh Nghi Xuyên đã lựa chọn một giải pháp xử lý nền kết hợp. Cụ thể, phương án được chọn là thay một phần đất yếu, kết hợp sử dụng vải địa kỹ thuật gia cường và đắp phản áp. Luận văn của tác giả Phạm Duy Khánh đã sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng và phân tích chi tiết hai biến thể của phương án này. Kết quả mô phỏng số cho thấy, sau khi áp dụng giải pháp, hệ số an toàn ổn định của mái kênh tăng lên đáng kể, đạt giá trị yêu cầu (FS > 1.2 - 1.4) trong mọi trường hợp tải trọng bất lợi. Các biểu đồ vùng đẳng độ lún cho thấy độ lún tổng thể được kiểm soát trong giới hạn cho phép. Chuyển vị của vùng trượt nguy hiểm giảm mạnh, cho thấy hiệu quả rõ rệt của lớp vải gia cố trong việc chống sạt lở bờ kênh. Lực kéo phân bố trên chiều dài vải cũng được phân tích để đảm bảo vải làm việc trong giới hạn đàn hồi và có đủ chiều dài neo. Công tác quan trắc lún và chuyển vị ngang trong thực tế sẽ là bước tiếp theo để xác nhận sự phù hợp giữa kết quả tính toán mô hình và hành vi làm việc thực của công trình, từ đó hoàn thiện cơ sở dữ liệu cho các dự án tương tự trong khu vực đồng bằng sông Hồng.
5.1. Mô phỏng và phân tích kết quả bằng phần mềm Plaxis
Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis cho phép mô phỏng chi tiết quá trình thi công theo từng giai đoạn và sự tương tác phức tạp giữa kết cấu và nền đất. Kết quả phân tích ứng suất, biến dạng và chuyển vị cung cấp một cái nhìn trực quan và chính xác về hiệu quả của giải pháp. Các hình ảnh như lưới biến dạng, biểu đồ ứng suất chính, và vùng trượt nguy hiểm là những bằng chứng khoa học thuyết phục để bảo vệ phương án thiết kế.
5.2. So sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các phương án
Mặc dù cọc xi măng đất (CDM) có ưu điểm về tiến độ và ít chiếm dụng mặt bằng, nhưng chi phí xử lý nền đất yếu ban đầu có thể cao hơn. Phương án kết hợp thay đất và vải địa kỹ thuật, dù có thể tốn thời gian thi công hơn, lại tận dụng được vật liệu tại chỗ và có chi phí hợp lý hơn, phù hợp với quy mô và ngân sách của nhiều công trình thủy lợi tại Việt Nam. Quyết định cuối cùng dựa trên sự cân bằng tối ưu giữa các yếu tố này.
VI. Kết luận và hướng đi mới trong xử lý nền đất yếu công trình
Việc nghiên cứu thành công giải pháp xử lý nền đất yếu kênh xả Nghi Xuyên, Hưng Yên đã khẳng định tầm quan trọng của công tác khảo sát, phân tích và lựa chọn phương án phù hợp. Công trình này là một minh chứng điển hình cho thấy, không có một giải pháp vạn năng nào cho mọi loại nền đất yếu. Sự lựa chọn tối ưu phải dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về địa chất công trình, đặc điểm tải trọng và các điều kiện ràng buộc về kinh tế, thi công. Các phương pháp truyền thống như thay đất, đắp phản áp khi được kết hợp với vật liệu mới như vải địa kỹ thuật vẫn chứng tỏ hiệu quả cao. Đồng thời, các công nghệ hiện đại như cọc xi măng đất (CDM), bấc thấm và gia tải trước, hay bơm hút chân không đang mở ra những hướng đi mới, giúp rút ngắn thời gian thi công và xử lý được những nền đất có điều kiện phức tạp hơn. Hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế, xây dựng các mô hình dự báo chính xác hơn về hành vi dài hạn của nền đất sau khi xử lý. Việc xây dựng và hoàn thiện bộ tiêu chuẩn xử lý nền đất yếu của Việt Nam, cập nhật các công nghệ tiên tiến trên thế giới, cũng như phân tích chi phí vòng đời dự án thay vì chỉ chi phí xây dựng ban đầu, sẽ góp phần nâng cao chất lượng và tính bền vững cho các công trình hạ tầng trên khắp cả nước.
6.1. Tổng kết các bài học kinh nghiệm từ dự án Nghi Xuyên
Bài học quan trọng nhất là sự cần thiết của việc phân tích so sánh đa phương án. Dự án đã xem xét từ cọc cát, sàn giảm tải đến CDM và giải pháp kết hợp, cho phép lựa chọn được phương án dung hòa tốt nhất các yếu tố. Thứ hai là vai trò không thể thiếu của các công cụ mô phỏng số trong việc kiểm chứng và tối ưu hóa thiết kế trước khi triển khai, giúp tiết kiệm chi phí và giảm thiểu rủi ro.
6.2. Xu hướng và công nghệ xử lý nền đất yếu trong tương lai
Tương lai của ngành gia cố nền đất yếu sẽ chứng kiến sự phát triển của các vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp thế hệ mới, có cường độ cao hơn và bền hơn với môi trường. Các phương pháp xử lý sinh học (biocementation) hay xử lý bằng hóa chất thân thiện với môi trường cũng là những lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc tích hợp các cảm biến thông minh để quan trắc lún và biến dạng theo thời gian thực sẽ giúp quản lý rủi ro công trình một cách chủ động và hiệu quả hơn.
