Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Ninh Bình, nằm ở phía Nam vùng đồng bằng Bắc Bộ, có diện tích tự nhiên khoảng 1.341 km² và dân số gần 944.000 người (năm 2008). Vị trí địa lý đặc thù với hệ thống sông ngòi phức tạp, trong đó sông Hoàng Long dài 125 km, chảy qua nhiều huyện trọng điểm như Gia Viễn, Nho Quan và Hoa Lư. Đây là khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ lụt do lưu vực rộng, độ dốc lớn và cường suất lũ cao, có thể lên tới 9-10 cm/giờ trong các trận lũ lớn. Đặc biệt, tuyến đê hữu Hoàng Long dài 20,85 km chịu tác động mạnh của lũ với cao trình đỉnh đê chỉ đáp ứng được lũ có tần suất 10%, gây nguy cơ mất an toàn đê rất lớn.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ sông trong điều kiện nước lũ dâng cao nhằm nâng cao khả năng phòng chống lũ cho đê hữu Hoàng Long. Mục tiêu cụ thể là phân tích, lựa chọn và thiết kế các công trình bảo vệ bờ phù hợp với điều kiện tự nhiên, kỹ thuật và kinh tế xã hội của tỉnh Ninh Bình trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2010. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do thiên tai, bảo vệ an toàn dân sinh và phát triển kinh tế vùng hạ lưu sông Hoàng Long.

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 cơ học đất, thủy lực và kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi, cụ thể:

  • Lý thuyết ổn định mái đê: Áp dụng công thức Pilarczyk (1990) để tính toán ổn định các cấu kiện gia cố mái đê dưới tác động của sóng, trong đó các đại lượng như chiều cao sóng, chu kỳ sóng, góc mái dốc và trọng lượng vật liệu được xem xét chi tiết.
  • Mô hình tác động thủy lực lên kết cấu đê: Phân tích áp lực thủy tĩnh, thủy động và áp lực sóng tràn lên mái đê, bao gồm áp lực sóng dương và áp lực sóng âm, ảnh hưởng đến sự biến dạng và phá hủy kết cấu.
  • Khái niệm về sạt lở bờ sông: Bao gồm các yếu tố tác động như xâm thực của dòng chảy, áp lực thủy tĩnh, thủy động, quá trình tẩm ướt đất đá và ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh.
  • Các giải pháp kỹ thuật bảo vệ bờ sông: Phân loại và đánh giá các phương pháp như kè mỏ hàn, kè lát mái, thảm bê tông, thảm đá, sử dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp và các biện pháp sinh thái như trồng cỏ Vetiver.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa tổng hợp lý thuyết, phân tích tài liệu và thực tiễn, cùng với tính toán kỹ thuật chi tiết:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các báo cáo ngành, tài liệu thiết kế đê điều, số liệu mực nước lũ giai đoạn 1960-2007, và khảo sát thực địa tại tuyến đê hữu Hoàng Long.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các đoạn đê xung yếu có hiện tượng thẩm lậu, mạch sủi, sạt lở để phân tích chi tiết.
  • Phương pháp phân tích: Áp dụng các công thức tính toán ổn định mái đê (Pilarczyk, Hudson, Van Der Meer), phân tích áp lực thủy lực, đánh giá hiệu quả các giải pháp bảo vệ bờ dựa trên tiêu chí kỹ thuật và kinh tế.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2012 đến 2013, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích, thiết kế và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tình trạng đê hữu Hoàng Long hiện tại: Đê dài 20,85 km với cao trình đỉnh từ +5,30 m đến +5,55 m, chỉ đáp ứng được lũ có tần suất 10%. Một số đoạn có hiện tượng thẩm lậu, mạch sủi và sạt lở nhỏ, đặc biệt từ K10 đến K20+850 chịu tác động lớn nhất của lũ.
  2. Hiệu quả các giải pháp bảo vệ mái đê: Các cấu kiện bê tông đúc sẵn dạng cột có trọng lượng lớn hơn giúp tăng ổn định mảng gia cố so với dạng tấm truyền thống. Ví dụ, cấu kiện bê tông kích thước 0,6 x 0,8 x 0,8 m được sử dụng tại Hà Lan cho thấy độ ổn định cao hơn 15-20% so với cấu kiện nhỏ hơn.
  3. Nguyên nhân mất ổn định mái đê: Áp lực sóng tràn và áp lực thủy động gây ra chuyển vị lớn của các viên gia cố, dẫn đến lún sụt và bong tróc mảng gia cố. Tình trạng này được ghi nhận tại nhiều đoạn đê ở Nam Định và Hải Hậu, với tỷ lệ bong tróc mảng gia cố lên tới 30% tại các vị trí xung yếu.
  4. Giải pháp kè mỏ hàn: Phân tích cho thấy kè mỏ hàn với góc lệch từ 15° đến 45° và chiều dài phù hợp giúp giảm vận tốc dòng chảy tại bờ, từ đó giảm lực xói lở bờ sông khoảng 25-30%. Việc bố trí hệ thống kè mỏ hàn đồng bộ có thể giảm thiểu sạt lở hiệu quả trong phạm vi 200-300 m dọc bờ.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các cấu kiện bê tông đúc sẵn dạng cột, có trọng lượng lớn và liên kết chặt chẽ giúp tăng độ ổn định mái đê dưới tác động sóng và dòng chảy mạnh. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, các công trình tại Hà Lan và Nhật Bản cũng ưu tiên sử dụng cấu kiện dạng cột để giảm thiểu hiện tượng lún sụt và bong tróc.

Nguyên nhân chính gây mất ổn định mái đê là do áp lực thủy lực phức tạp, bao gồm áp lực sóng dương và âm, cùng với hiện tượng thẩm lậu và mạch sủi dưới chân đê. Các biểu đồ áp lực thủy lực và chuyển vị mảng gia cố minh họa rõ ràng sự biến đổi ứng suất trong thân đê, cho thấy cần thiết phải gia cố đồng bộ cả mái phía sông và mái phía đồng.

Giải pháp kè mỏ hàn được đánh giá là hiệu quả trong việc giảm vận tốc dòng chảy và bảo vệ bờ sông, phù hợp với điều kiện địa hình và dòng chảy phức tạp của sông Hoàng Long. Tuy nhiên, việc thiết kế cần đảm bảo các thông số kỹ thuật như góc lệch, chiều dài và cao trình đỉnh kè phù hợp để tránh gây ảnh hưởng xấu đến giao thông thủy và các hoạt động kinh tế khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cố mái đê bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn dạng cột: Thay thế các cấu kiện dạng tấm nhỏ bằng cấu kiện dạng cột có kích thước tối thiểu 0,6 x 0,8 x 0,8 m, trọng lượng tăng ít nhất 20%, nhằm tăng độ ổn định và giảm hiện tượng lún sụt. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Ninh Bình chủ trì.
  2. Xây dựng hệ thống kè mỏ hàn đồng bộ: Thiết kế và thi công các kè mỏ hàn với góc lệch từ 15° đến 45°, chiều dài phù hợp với từng đoạn bờ xung yếu, nhằm giảm vận tốc dòng chảy và lực xói lở bờ sông khoảng 25-30%. Thời gian triển khai 3 năm, phối hợp giữa các đơn vị quản lý đê điều và địa phương.
  3. Sử dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp: Áp dụng vải địa kỹ thuật và ống địa kỹ thuật chứa cát để gia cố nền đê và chống thấm, giảm hiện tượng thẩm lậu và mạch sủi. Giải pháp này giúp tăng cường ổn định tổng thể đê, thời gian thực hiện 1-2 năm, do các nhà thầu chuyên ngành thủy lợi đảm nhận.
  4. Trồng cỏ Vetiver và thảm ba chiều sợi tổng hợp: Kết hợp biện pháp sinh thái để bảo vệ mái đê phía trong đồng, tăng khả năng chống xói bề mặt và thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện 1 năm, do các đơn vị nông nghiệp và môi trường phối hợp thực hiện.
  5. Nâng cao cao trình đỉnh đê và kiểm soát mực nước lũ: Kết hợp với các công trình hồ chứa thượng nguồn để điều tiết lũ, giảm áp lực lên đê hữu Hoàng Long, đảm bảo an toàn cho hệ thống đê trong các trận lũ lớn. Thời gian dài hạn, phối hợp với các cơ quan quản lý thủy lợi quốc gia.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư đê điều: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả quản lý, bảo trì và nâng cấp hệ thống đê sông, đặc biệt tại các vùng có điều kiện lũ phức tạp như Ninh Bình.
  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Luận văn trình bày chi tiết các phương pháp tính toán, thiết kế và lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ sông, là tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu và học tập.
  3. Các đơn vị thi công và tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Cung cấp các tiêu chuẩn kỹ thuật, mô hình kết cấu và kinh nghiệm thực tiễn trong việc thi công các công trình bảo vệ bờ sông, giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công.
  4. Cơ quan quản lý thiên tai và phát triển bền vững: Thông tin về nguyên nhân, cơ chế sạt lở và các giải pháp phòng chống lũ lụt giúp hoạch định chính sách, kế hoạch ứng phó thiên tai phù hợp với điều kiện địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đê hữu Hoàng Long chỉ đáp ứng được lũ có tần suất 10%?
    Do cao trình đỉnh đê hiện tại từ +5,30 m đến +5,55 m chưa đủ để ngăn lũ lớn hơn, trong khi lưu vực rộng và cường suất lũ cao khiến mực nước lũ thường vượt quá mức thiết kế, gây nguy cơ tràn và phá hủy đê.

  2. Các cấu kiện bê tông dạng cột có ưu điểm gì so với dạng tấm?
    Cấu kiện dạng cột có trọng lượng lớn hơn, liên kết chặt chẽ hơn, giúp tăng độ ổn định mảng gia cố, giảm hiện tượng lún sụt và bong tróc dưới tác động của sóng và dòng chảy mạnh, đồng thời dễ sửa chữa khi có sự cố.

  3. Giải pháp kè mỏ hàn hoạt động như thế nào trong bảo vệ bờ sông?
    Kè mỏ hàn đặt xiên với dòng chảy, làm giảm vận tốc dòng chảy tại bờ, từ đó giảm lực xói lở và sạt lở bờ sông. Việc bố trí hệ thống kè mỏ hàn đồng bộ giúp ổn định dòng chảy và bảo vệ bờ hiệu quả.

  4. Vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp có vai trò gì trong gia cố đê?
    Vật liệu này giúp gia cố nền đê, chống thấm và giảm hiện tượng thẩm lậu, tăng cường ổn định tổng thể cho đê, đồng thời phân cách các lớp vật liệu có kích thước hạt khác nhau, hạn chế xói mòn và sạt lở.

  5. Tại sao cần kết hợp biện pháp sinh thái như trồng cỏ Vetiver?
    Trồng cỏ Vetiver tạo lớp bảo vệ tự nhiên chống xói bề mặt, tăng cường sức chịu tải cho mái đê, thân thiện với môi trường và giảm chi phí bảo trì so với các biện pháp bê tông hóa hoặc kè cứng.

Kết luận

  • Đê hữu Hoàng Long hiện có nhiều đoạn xung yếu với hiện tượng thẩm lậu, mạch sủi và sạt lở, cao trình đỉnh đê chưa đáp ứng được lũ lớn.
  • Các cấu kiện bê tông đúc sẵn dạng cột và hệ thống kè mỏ hàn là giải pháp kỹ thuật hiệu quả để gia cố mái đê và bảo vệ bờ sông trong điều kiện nước lũ dâng cao.
  • Áp lực thủy lực phức tạp là nguyên nhân chính gây mất ổn định mái đê, đòi hỏi giải pháp gia cố đồng bộ cả mái phía sông và mái phía đồng.
  • Việc sử dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp và biện pháp sinh thái như trồng cỏ Vetiver góp phần tăng cường ổn định và thân thiện môi trường.
  • Khuyến nghị triển khai các giải pháp kỹ thuật đồng bộ trong vòng 2-3 năm nhằm nâng cao khả năng phòng chống lũ, bảo vệ an toàn dân sinh và phát triển kinh tế bền vững cho tỉnh Ninh Bình.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công cần phối hợp triển khai thiết kế chi tiết, thí nghiệm mô hình và thi công các giải pháp đã đề xuất. Đề nghị tổ chức các hội thảo chuyên môn để trao đổi, hoàn thiện phương án và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ đê sông.