Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng sạt lở bờ sông đang diễn ra phổ biến và nghiêm trọng tại nhiều khu vực ven sông ở Việt Nam, đặc biệt là tại đoạn cuối tuyến kè thuộc dự án Đường ven sông Sài Gòn, thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương. Đoạn kè dài khoảng 95m, được xây dựng bằng cọc ván bê tông cốt thép loại SW600B, có cao trình đỉnh dầm mũ +2,90m, với phần đắp cát phía sau kè cao trình +1,40m. Trong quá trình thi công, đã xảy ra sự cố chuyển vị cừ dự ứng lực, gây sạt lở nghiêm trọng, làm gián đoạn thi công từ tháng 12/2014. Theo báo cáo của Sở Xây dựng tỉnh Bình Dương, chuyển vị ngang đỉnh tường kè tại vị trí sạt lở lớn nhất lên đến 65cm, gây phá hoại kết cấu bê tông cốt thép.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất giải pháp xử lý sự cố chuyển vị cừ dự ứng lực nhằm đảm bảo ổn định và an toàn cho công trình kè chắn đoạn cuối tuyến, góp phần bảo vệ bờ sông Sài Gòn và các công trình lân cận. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn kè từ rạch Bình Nhâm đến đường Châu Văn Tiếp, thuộc thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương, trong giai đoạn thi công và vận hành công trình năm 2014-2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc xây dựng giải pháp gia cố phù hợp với điều kiện địa chất, thủy văn đặc thù của khu vực, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc bảo vệ công trình thủy lợi, đảm bảo an toàn giao thông và sinh hoạt của người dân ven sông. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành công trình và giảm thiểu thiệt hại do sạt lở gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về xói lở bờ sông và gia cố công trình bảo vệ bờ, bao gồm:

  • Lý thuyết xói lở bờ sông: Xói lở bờ sông là quá trình mất cân bằng lực giữa lực gây trượt và lực giữ của khối đất bờ, chịu ảnh hưởng của dòng chảy, sóng, gia tải mép bờ và đặc điểm địa chất lòng dẫn. Tốc độ xói lở phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy thực tế so với vận tốc khởi động của bùn cát, thời gian duy trì vận tốc này, và khả năng vận chuyển bùn cát của dòng chảy.

  • Mô hình thủy động lực và biến đổi hình thái lòng sông: Tác động của dòng chảy và sóng lên hình thái lòng sông, đặc biệt là hiện tượng xói chân công trình và biến dạng lòng dẫn, được mô phỏng bằng phần mềm mô hình toán học chuyên dụng như Plaxis và Mike 21.

  • Khái niệm công trình bảo vệ bờ: Phân loại công trình bảo vệ bờ thành kè bảo vệ bờ sông và kè bảo vệ bờ biển, với các kết cấu kè đơn giản, bán kiên cố và kiên cố. Các giải pháp gia cố bao gồm sử dụng rọ đá, thảm đá, vải địa kỹ thuật, cọc bê tông cốt thép, bản neo và các biện pháp gia cố chân kè.

  • Nguyên lý ổn định công trình: Tính toán ổn định tổng thể và cục bộ của công trình dựa trên các quy chuẩn hiện hành, bao gồm phân tích ứng suất, biến dạng, chuyển vị ngang và mô men uốn của kết cấu kè.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khảo sát địa hình, địa chất, thủy văn, chuyển vị kết cấu kè, và các báo cáo kỹ thuật liên quan từ Ban Quản lý đầu tư xây dựng tỉnh Bình Dương, Sở Xây dựng, và các đơn vị thi công.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán học Plaxis để tính toán ổn định tổng thể và cục bộ công trình, mô phỏng thủy động lực bằng phần mềm Mike 21 để đánh giá tác động dòng chảy và xói lở. Phân tích số liệu chuyển vị thực tế để xác định nguyên nhân sự cố.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào đoạn kè dài 95m, với các vị trí khảo sát chi tiết tại các điểm có chuyển vị lớn nhất và các vị trí xói lở chân kè. Lựa chọn các vị trí khảo sát dựa trên hiện trạng công trình và báo cáo kỹ thuật.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2018-2019, bao gồm khảo sát hiện trường, thu thập số liệu, mô phỏng và phân tích, đề xuất giải pháp và đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân chính gây chuyển vị cừ dự ứng lực: Qua phân tích số liệu khảo sát và mô phỏng, nguyên nhân chủ yếu là do xói lở chân kè gây mất ổn định nền móng, kết hợp với gia tải đắp cát phía sau kè làm tăng ứng suất trong khối đất, dẫn đến chuyển vị ngang đỉnh tường kè lên đến 65cm. Tại vị trí sạt lở, khe hở giữa các cọc bê tông cốt thép rộng tới 20cm, gây phá hoại kết cấu.

  2. Tác động thủy động lực: Mô hình Mike 21 cho thấy dòng chảy tại khu vực nghiên cứu có vận tốc trung bình thủy động lực lớn hơn vận tốc khởi động của bùn cát, đặc biệt vào mùa lũ và triều rút, làm tăng nguy cơ xói lở chân kè. Hiện tượng xói lở diễn ra mạnh khi triều xuống, với vận tốc dòng chảy ven bờ đạt trên 2,3 m/s.

  3. Đặc điểm địa chất nền: Lớp đất nền tại vị trí kè có tính chất cơ lý yếu, độ dính thấp (0,5-2,0 tấn/m²), góc ma sát trong nhỏ (2-3 độ), và có lớp bùn dày tới 30m, làm giảm khả năng chịu lực của nền móng và tăng nguy cơ lún lệch.

  4. Hiệu quả các giải pháp gia cố: Các phương án gia cố như sử dụng rọ đá, thảm đá, vải địa kỹ thuật kết hợp cọc bê tông cốt thép và bản neo đã được phân tích. Giải pháp kết hợp gia cố chân kè bằng hệ đầm neo và cọc BTCT, bổ sung bệ phản áp và thảm đá chống xói chân kè được đánh giá cao về hiệu quả ổn định và khả năng chịu lực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chuyển vị cừ dự ứng lực tại đoạn kè cuối tuyến chủ yếu do sự mất ổn định nền móng gây ra bởi xói lở chân kè và gia tải đắp cát phía sau. Kết quả mô phỏng thủy động lực và phân tích địa chất phù hợp với các nghiên cứu trước đây về xói lở bờ sông tại các khu vực có địa chất yếu và dòng chảy mạnh. So sánh với các công trình bảo vệ bờ khác như kè Cái Khế (Cần Thơ) và kè sông Cửa Lớn (Cà Mau), hiện tượng chuyển vị và xói lở cũng tương tự, đều liên quan đến đặc điểm địa chất yếu và tác động dòng chảy.

Việc áp dụng các giải pháp gia cố kết hợp vật liệu truyền thống (rọ đá, thảm đá) và công nghệ hiện đại (vải địa kỹ thuật, cọc neo) giúp tăng cường ổn định công trình, giảm chuyển vị ngang và hạn chế xói lở chân kè. Dữ liệu chuyển vị và ứng suất tính toán có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị theo thời gian và bảng kết quả tính toán ứng suất, giúp minh chứng hiệu quả giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cố chân kè bằng hệ đầm neo kết hợp cọc BTCT: Thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do Ban Quản lý dự án phối hợp với đơn vị thi công, nhằm giảm chuyển vị ngang và tăng khả năng chịu lực của kết cấu.

  2. Bổ sung bệ phản áp và thảm đá chống xói chân kè: Triển khai đồng thời với gia cố chân kè, sử dụng rọ đá và thảm đá bằng túi lưới để bảo vệ chân kè khỏi xói lở do dòng chảy mạnh, đảm bảo ổn định lâu dài.

  3. Sử dụng vải địa kỹ thuật gia cố mái đắp phía sau kè: Tăng cường ổn định mái đắp, giảm nguy cơ trượt mái và lún lệch, thực hiện trong giai đoạn bảo trì công trình.

  4. Theo dõi, quan trắc chuyển vị và ứng suất công trình định kỳ: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động để phát hiện sớm các chuyển biến bất thường, giúp kịp thời xử lý sự cố, đảm bảo an toàn công trình và người dân.

  5. Cập nhật và áp dụng các tiêu chuẩn, quy chuẩn thiết kế mới: Đảm bảo các công trình bảo vệ bờ được thiết kế phù hợp với điều kiện địa chất, thủy văn hiện tại, hạn chế rủi ro do sai sót thiết kế và thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng và thủy lợi: Giúp hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp xử lý sự cố công trình bảo vệ bờ, phục vụ công tác quản lý, giám sát và lập kế hoạch đầu tư.

  2. Đơn vị tư vấn thiết kế và thi công công trình thủy lợi: Áp dụng các phương pháp tính toán, mô hình mô phỏng và giải pháp gia cố phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao chất lượng công trình.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về bảo vệ bờ sông.

  4. Các tổ chức, doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực khai thác, quản lý tài nguyên nước và môi trường: Hiểu rõ tác động của dòng chảy, xói lở và các biện pháp bảo vệ bờ, từ đó xây dựng các giải pháp bền vững trong quản lý tài nguyên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây chuyển vị cừ dự ứng lực trong công trình kè là gì?
    Chuyển vị chủ yếu do xói lở chân kè làm mất ổn định nền móng, kết hợp với gia tải đắp cát phía sau kè làm tăng ứng suất trong khối đất, gây chuyển vị ngang lớn.

  2. Giải pháp gia cố nào hiệu quả nhất cho công trình kè bị chuyển vị?
    Gia cố chân kè bằng hệ đầm neo kết hợp cọc bê tông cốt thép, bổ sung bệ phản áp và thảm đá chống xói chân kè được đánh giá là giải pháp hiệu quả, đảm bảo ổn định lâu dài.

  3. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng thủy động lực và tính toán ổn định công trình?
    Phần mềm Mike 21 được dùng để mô phỏng thủy động lực, Plaxis dùng để tính toán ổn định tổng thể và cục bộ công trình.

  4. Tại sao cần sử dụng vải địa kỹ thuật trong gia cố mái đắp?
    Vải địa kỹ thuật giúp gia tăng độ ổn định mái đắp, giảm nguy cơ trượt mái và lún lệch, đồng thời tăng khả năng thoát nước và giảm áp lực thấm.

  5. Làm thế nào để theo dõi hiệu quả của giải pháp xử lý sự cố?
    Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị, ứng suất và biến dạng công trình định kỳ, sử dụng các thiết bị đo hiện đại để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường.

Kết luận

  • Xác định rõ nguyên nhân chuyển vị cừ dự ứng lực tại đoạn kè cuối tuyến do xói lở chân kè và gia tải đắp cát phía sau.
  • Phân tích tác động thủy động lực và đặc điểm địa chất nền yếu làm tăng nguy cơ mất ổn định công trình.
  • Đề xuất giải pháp gia cố kết hợp hệ đầm neo, cọc BTCT, bệ phản áp và thảm đá chống xói chân kè, sử dụng vải địa kỹ thuật gia cố mái đắp.
  • Khuyến nghị thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ và cập nhật tiêu chuẩn thiết kế để đảm bảo an toàn công trình.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng áp dụng mô hình mô phỏng và giải pháp gia cố cho các công trình bảo vệ bờ khác trong khu vực và trên toàn quốc.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng cho công tác xử lý sự cố công trình bảo vệ bờ, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ môi trường ven sông. Các đơn vị liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình thủy lợi trong tương lai.