Tổng quan nghiên cứu

Sự biến đổi không gian và thời gian của lòng sông dưới tác động tương hỗ của dòng chảy và lòng dẫn đã gây ra nhiều thảm họa nghiêm trọng cho đời sống con người. Tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực sông Chu, sau khi thủy điện Cửa Đạt đi vào hoạt động, chế độ thủy lực và lòng dẫn đã thay đổi căn bản, dẫn đến hiện tượng mất cân bằng bùn cát và gây xói lở nghiêm trọng ở vùng hạ lưu. Đoạn kè Căng Hạ, thuộc xã Thọ Trường, huyện Thọ Xuân, tỉnh Thanh Hóa, là một trong những khu vực chịu ảnh hưởng nặng nề với nhiều vị trí kè bị hư hỏng, sụt lún và sạt lở mái đê, đe dọa trực tiếp đến tính mạng, tài sản và đất canh tác của người dân.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích nguyên nhân, cơ chế gây sạt lở bờ sông Căng Hạ, đề xuất các giải pháp công trình bảo vệ bờ phù hợp và lựa chọn công nghệ thi công hiệu quả. Nghiên cứu tập trung trong phạm vi địa bàn xã Thọ Trường, huyện Thọ Xuân, với thời gian khảo sát và mô phỏng từ năm 2014 đến 2018, nhằm dự báo diễn biến xói lở và đề xuất phương án xử lý kịp thời.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc góp phần nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ sông, giảm thiểu thiệt hại do sạt lở, đồng thời hỗ trợ phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho tỉnh Thanh Hóa. Các chỉ số kỹ thuật như chiều dài kè Căng Hạ khoảng 1,07 km, cùng các số liệu địa chất và thủy lực được thu thập và phân tích chi tiết nhằm đảm bảo tính chính xác và thực tiễn của đề xuất.

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 thủy lực, thủy văn và cơ học đất trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi, đặc biệt là các công trình bảo vệ bờ sông. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết thủy lực và cơ chế xói lở bờ sông: Nghiên cứu các đặc trưng dòng chảy, vận tốc, áp lực thủy lực tác động lên bờ sông, cùng với cơ chế chuyển tải bùn cát và sự mất cân bằng bùn cát gây xói lở. Mô hình toán MIKE 21C được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy động lực và dự báo diễn biến xói lở.

  2. Lý thuyết cơ học đất và ổn định mái dốc: Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đê và lớp đất nền, tính toán ổn định trượt mái bằng phần mềm GEOSTUDIO-2007, nhằm đánh giá khả năng chịu lực và sự ổn định của kết cấu kè.

Các khái niệm chính bao gồm: xói lở bờ sông, cân bằng bùn cát, mô hình thủy động lực, ổn định mái dốc, kết cấu kè mỏ hàn và kè lát mái.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, kết hợp cả lý thuyết và thực tiễn:

  • Thu thập số liệu: Bao gồm số liệu mực nước, lưu lượng, địa hình, địa chất, hiện trạng công trình bảo vệ bờ sông Căng Hạ và sông Chu. Các số liệu này được thu thập từ Ban Quản lý dự án tu bổ đê điều tỉnh Thanh Hóa và các khảo sát thực địa.

  • Khảo sát thực địa: Đánh giá hiện trạng sạt lở, hư hỏng công trình, chụp ảnh và ghi chép chi tiết các vị trí bị ảnh hưởng.

  • Phân tích chuyên gia: Tham vấn các cán bộ Chi cục đê điều và phòng chống lụt bão tỉnh Thanh Hóa để đánh giá nguyên nhân và lựa chọn giải pháp phù hợp.

  • Mô hình toán: Sử dụng phần mềm MIKE 21C để mô phỏng chế độ thủy lực dòng chảy và diễn biến xói lở lòng dẫn; phần mềm GEOSTUDIO-2007 để tính toán ổn định mái dốc và xử lý nền.

  • Phân tích số liệu và đánh giá: Sử dụng phương pháp thống kê, phân tích các chỉ tiêu cơ lý đất, kết quả mô phỏng và khảo sát để đưa ra kết luận và đề xuất.

Cỡ mẫu khảo sát thực địa bao gồm toàn bộ tuyến kè Căng Hạ dài khoảng 1,07 km, với các điểm lấy mẫu đất và quan trắc thủy lực được bố trí hợp lý nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2016, với dự báo mô phỏng đến năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng hư hỏng công trình bảo vệ bờ Căng Hạ: Đoạn kè dài 1,07 km đã bị xuống cấp nghiêm trọng, với nhiều vị trí sụt lún chân kè và sạt lở mái đê. Mức độ hư hỏng cục bộ có thể lên đến 0,3-0,5 m tại đỉnh kè và chân kè bị hẫng, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn công trình và khu vực dân cư lân cận.

  2. Nguyên nhân gây sạt lở: Mất cân bằng bùn cát do thủy điện Cửa Đạt làm giảm lượng bùn cát vận chuyển xuống hạ lưu, khiến dòng chảy "đói" bùn cát phải đào xói lòng dẫn để cân bằng. Mô hình MIKE 21C cho thấy hố xói sâu từ -0,6 đến -0,7 m xuất hiện ngay khu vực đầu kè sau một năm mô phỏng, làm mất ổn định chân kè.

  3. Kết cấu kè hiện tại không phù hợp: Kè lát mái không có khung bê tông và sử dụng đá chít mạch không đáp ứng được áp lực đẩy nổi và dao động mực nước nhanh, dẫn đến hư hỏng nhanh chóng. Kết cấu chân kè chưa được thiết kế sâu và chưa vươn ra tới khu vực đáy sông có độ dốc phù hợp, làm tăng nguy cơ phá hủy.

  4. Phân tích ổn định mái dốc: Kết quả tính toán bằng GEOSTUDIO-2007 cho thấy hệ số ổn định tối thiểu tại chân kè là khoảng 1,5, chưa đảm bảo an toàn lâu dài khi chịu tác động của dòng chảy và biến đổi mực nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng sạt lở là sự mất cân bằng bùn cát do tác động của thủy điện, kết hợp với thiết kế kè chưa phù hợp về kết cấu và vật liệu. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy tình trạng này phổ biến ở nhiều công trình bảo vệ bờ sông tại Việt Nam và quốc tế, đặc biệt ở các vùng hạ lưu chịu ảnh hưởng của công trình thủy điện.

Việc sử dụng mô hình toán MIKE 21C và phần mềm GEOSTUDIO-2007 đã giúp mô phỏng chính xác diễn biến xói lở và đánh giá ổn định công trình, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc đề xuất giải pháp kỹ thuật. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ diễn biến hố xói theo thời gian và bảng so sánh hệ số ổn định các phương án thiết kế.

Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn kết cấu kè phù hợp, vật liệu thi công bền vững và công nghệ thi công hiện đại nhằm nâng cao tuổi thọ công trình và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và đời sống dân cư.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế lại kết cấu kè bảo vệ bờ Căng Hạ: Áp dụng phương án kè mái nghiêng sử dụng cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực với chân kè vươn ra khu vực đáy sông có hệ số mái m = 3-4 để đảm bảo ổn định lâu dài. Thời gian thực hiện trong vòng 2 năm, do Ban Quản lý dự án tu bổ đê điều tỉnh Thanh Hóa chủ trì.

  2. Sử dụng vật liệu thi công hiện đại và bền vững: Ưu tiên sử dụng cọc bê tông dự ứng lực, thảm bê tông liên kết và vật liệu địa kỹ thuật như GeoTube để gia cố chân kè, giảm thiểu hư hỏng do áp lực đẩy nổi và dao động mực nước. Thời gian áp dụng đồng bộ với tiến độ thi công kè.

  3. Áp dụng công nghệ thi công tiên tiến: Sử dụng thiết bị thi công hiện đại như máy trải vải lọc, máy thả thảm đá và công nghệ thi công cọc ván bê tông dự ứng lực nhằm tăng tốc độ thi công, giảm ảnh hưởng đến sinh hoạt dân cư và đảm bảo chất lượng công trình. Chủ thể thực hiện là nhà thầu xây dựng có kinh nghiệm, trong vòng 18 tháng.

  4. Tăng cường công tác quản lý, giám sát và bảo trì: Thiết lập hệ thống giám sát thường xuyên hiện trạng công trình, đặc biệt sau mùa mưa bão, để phát hiện sớm các vị trí hư hỏng và kịp thời sửa chữa. Ban Quản lý dự án phối hợp với chính quyền địa phương thực hiện hàng năm.

  5. Nghiên cứu bổ sung mô hình dự báo và cảnh báo sạt lở: Phát triển mô hình toán dự báo diễn biến xói lở bờ sông theo chu kỳ 5 năm, kết hợp với hệ thống cảnh báo sạt lở nhằm nâng cao khả năng ứng phó và giảm thiểu thiệt hại. Thời gian triển khai trong 3 năm, phối hợp với các viện nghiên cứu thủy lợi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng chính sách bảo vệ bờ sông, quản lý đê điều hiệu quả, giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  2. Kỹ sư và chuyên gia xây dựng công trình thủy lợi: Tham khảo các phương pháp thiết kế, lựa chọn vật liệu và công nghệ thi công công trình bảo vệ bờ sông phù hợp với điều kiện địa phương.

  3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy lợi, xây dựng công trình thủy: Cung cấp tài liệu tham khảo về mô hình toán, phân tích ổn định mái dốc và các giải pháp kỹ thuật tiên tiến trong lĩnh vực bảo vệ bờ sông.

  4. Chính quyền địa phương và cộng đồng dân cư ven sông: Hiểu rõ nguyên nhân, tác động của sạt lở bờ sông và các biện pháp phòng chống, từ đó phối hợp thực hiện các giải pháp bảo vệ bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây sạt lở bờ sông Căng Hạ là gì?
    Mất cân bằng bùn cát do thủy điện Cửa Đạt làm giảm lượng bùn cát vận chuyển xuống hạ lưu, khiến dòng chảy đào xói lòng dẫn để cân bằng, kết hợp với thiết kế kè chưa phù hợp.

  2. Phương pháp mô hình toán nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Phần mềm MIKE 21C được dùng để mô phỏng chế độ thủy lực và diễn biến xói lở; GEOSTUDIO-2007 để tính toán ổn định mái dốc và xử lý nền.

  3. Giải pháp công trình bảo vệ bờ nào được đề xuất?
    Phương án kè mái nghiêng sử dụng cọc ván bê tông cốt thép dự ứng lực với chân kè vươn ra khu vực đáy sông có hệ số mái m = 3-4, kết hợp vật liệu hiện đại và công nghệ thi công tiên tiến.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu hư hỏng công trình sau thi công?
    Tăng cường công tác quản lý, giám sát thường xuyên, bảo trì kịp thời và áp dụng công nghệ thi công chất lượng cao giúp nâng cao tuổi thọ công trình.

  5. Ai nên tham khảo luận văn này?
    Các nhà quản lý thủy lợi, kỹ sư xây dựng, nhà nghiên cứu ngành thủy lợi và cộng đồng dân cư ven sông đều có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo và hướng dẫn thực tiễn.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết nguyên nhân và cơ chế gây sạt lở bờ sông Căng Hạ, xác định mất cân bằng bùn cát và thiết kế kè chưa phù hợp là nguyên nhân chính.
  • Đã đề xuất phương án kè mái nghiêng sử dụng cọc ván bê tông dự ứng lực, kết hợp vật liệu và công nghệ thi công hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ.
  • Sử dụng mô hình toán MIKE 21C và GEOSTUDIO-2007 giúp mô phỏng chính xác diễn biến xói lở và đánh giá ổn định công trình.
  • Khuyến nghị tăng cường quản lý, giám sát và nghiên cứu mô hình dự báo để phòng chống sạt lở hiệu quả.
  • Tiếp theo, cần triển khai thi công theo đề xuất trong vòng 2 năm và xây dựng hệ thống cảnh báo sạt lở trong 3 năm tới nhằm bảo vệ bền vững khu vực ven sông Căng Hạ.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ bờ sông, đảm bảo an toàn cho cộng đồng và phát triển kinh tế xã hội bền vững!