Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Ninh Bình, nằm ở phía Nam 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 như sông Hoàng Long, sông Đáy, cùng ảnh hưởng của lũ từ sông Hồng và mưa nội đồng, khiến khu vực này thường xuyên chịu tác động của lũ lụt và xói lở bờ sông. Đặc biệt, sông Hoàng Long có lưu vực rộng lớn, dài 125 km, với đoạn chảy qua địa phận Ninh Bình dài khoảng 31 km, có đặc điểm lưu lượng lũ lớn, tốc độ dâng nước nhanh từ 5-7 cm/giờ, thậm chí có trận lũ lên tới 9-10 cm/giờ. Những hiện tượng này gây ra nguy cơ mất ổn định mái đê, sạt lở bờ sông, đe dọa an toàn đê điều và đời sống người dân.

Mục tiêu nghiên cứu là lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ sông hiệu quả trong điều kiện nước lũ dâng cao, đồng thời đề xuất thiết kế công trình bảo vệ cho tuyến đê hữu Hoàng Long, tỉnh Ninh Bình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích tình hình lũ sông Hoàng Long giai đoạn 2000-2010, đánh giá thực trạng hệ thống đê điều, đặc biệt là tuyến đê hữu dài 20,85 km, và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm nâng cao khả năng phòng chống lũ, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ an toàn dân sinh, phát triển kinh tế xã hội địa phương, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống đê điều trong bối cảnh biến đổi khí hậu và diễn biến thời tiết ngày càng phức tạp.

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 và bờ sông: Phân tích các lực tác động như áp lực thủy tĩnh, thủy động, áp lực sóng tràn, áp lực thấm ngược, và các cơ chế phá hủy như xói lở, trượt mái đê.
  • Mô hình gia cố và bảo vệ mái đê: Áp dụng các công thức tính toán ổn định theo Pilarczyk (1990), Hudson, Van Der Meer, và các phương pháp gia cố bằng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp, bê tông đúc sẵn, đá lát khan, thảm địa kỹ thuật, rọ đá, kè mỏ hàn.
  • Khái niệm chính: Gia cố mái đê, áp lực thủy động, áp lực thủy tĩnh, sóng tràn, kè mỏ hàn, thảm địa kỹ thuật, áp lực thấm, trượt mái đê, xói lở bờ sông.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn:

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước, số liệu quan trắc mực nước, lưu lượng lũ sông Hoàng Long giai đoạn 1960-2007, các báo cáo kỹ thuật, hiện trạng đê điều tại Ninh Bình.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích ổn định mái đê bằng phần mềm chuyên dụng, tính toán áp lực thủy lực, áp lực sóng, áp lực thấm; đánh giá hiện trạng kỹ thuật qua khảo sát thực địa; so sánh ưu nhược điểm các giải pháp gia cố mái đê.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tập trung nghiên cứu tuyến đê hữu Hoàng Long dài 20,85 km, trong đó khảo sát chi tiết 16 vị trí xung yếu có hiện tượng thấm, sạt lở, mất ổn định.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích số liệu từ năm 2000 đến 2010, khảo sát thực địa năm 2012, tính toán và đề xuất giải pháp năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng đê hữu Hoàng Long: Tuyến đê dài 20,85 km có cao trình từ +5,30 m đến +5,55 m, chịu tác động lớn nhất của lũ sông Hoàng Long. Kết quả tính toán cho thấy cao trình hiện tại chỉ ngăn được lũ với mực nước dưới 10 năm tái lập, chưa đáp ứng yêu cầu an toàn cho các trận lũ lớn hơn. Một số đoạn từ K10 đến K20+850 xuất hiện hiện tượng thấm, sạt lở mái đê với tỷ lệ mất ổn định lên đến 15-20%.

  2. Nguyên nhân mất ổn định mái đê: Áp lực thủy động và sóng tràn gây ra lực đẩy ngược dưới đáy kết cấu kè, làm lún sụt thân đê. Các viên gia cố bằng bê tông và đá lát khan có trọng lượng không đủ, dễ bị sóng cuốn trôi, dẫn đến bong tróc mảng gia cố, tạo hốc xói sâu dưới nền đê. Tỷ lệ lún sụt mái đê tại các vị trí khảo sát dao động từ 5-12 cm/năm.

  3. Đặc điểm xói lở bờ sông: Quá trình xói lở do tác động của dòng chảy, áp lực thủy tĩnh, thủy động và áp lực thấm kết hợp với hoạt động nhân sinh như khai thác cát bừa bãi, phá hủy lớp phủ thực vật làm tăng nguy cơ trượt lở. Tốc độ xói lở bờ sông tại một số đoạn có thể lên tới 1-2 m/năm.

  4. Hiệu quả các giải pháp gia cố hiện có: Các kết cấu bê tông đúc sẵn dạng cột, thảm địa kỹ thuật tổng hợp, kè mỏ hàn và rọ đá được đánh giá cao về khả năng chống xói, tăng ổn định mái đê. So sánh cho thấy giải pháp kè bê tông lắp ghép có ngàm ba chiều (TSC-178) tăng độ bền kết cấu lên 25% so với bê tông đổ tại chỗ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng mất ổn định mái đê là do áp lực sóng tràn và áp lực thủy động gây ra lực đẩy ngược, làm giảm sức chịu tải của lớp gia cố. Các viên gia cố có trọng lượng nhỏ, liên kết yếu dễ bị sóng cuốn trôi, tạo ra các hốc xói dưới nền đê, làm giảm ổn định tổng thể. Kết quả khảo sát thực địa và tính toán mô hình cho thấy cần tăng trọng lượng và cải tiến hình dạng cấu kiện gia cố để giảm thiểu hiện tượng này.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc áp dụng công nghệ vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp và cấu kiện bê tông lắp ghép có ngàm ba chiều là xu hướng hiện đại, giúp tăng cường độ ổn định và giảm chi phí bảo trì. Việc kết hợp các giải pháp truyền thống với công nghệ mới sẽ nâng cao hiệu quả bảo vệ mái đê trong điều kiện nước lũ dâng cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ lún sụt mái đê trước và sau khi gia cố, bảng thống kê tốc độ xói lở bờ sông tại các vị trí khảo sát, và sơ đồ lực tác động lên mái đê dưới tác động sóng tràn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng trọng lượng và cải tiến cấu kiện gia cố mái đê: Sử dụng cấu kiện bê tông đúc sẵn dạng cột có trọng lượng lớn hơn, liên kết ngàm ba chiều để tăng độ ổn định mảng gia cố, hạn chế bong tróc và xói lở. Thời gian thực hiện: 2 năm. Chủ thể: Ban quản lý đê điều tỉnh Ninh Bình phối hợp với nhà thầu xây dựng.

  2. Áp dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp: Sử dụng thảm địa kỹ thuật kết hợp trồng cỏ Vetiver để gia cố mái đê phía trong đồng, tăng khả năng chống xói và thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

  3. Xây dựng hệ thống kè mỏ hàn tại các vị trí xung yếu: Thiết kế và thi công kè mỏ hàn dạng đá hộc hoặc bê tông để giảm vận tốc dòng chảy, hạn chế xói lở bờ sông. Thời gian thực hiện: 3 năm. Chủ thể: Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng công trình thủy lợi.

  4. Nâng cao cao trình đê và cải tạo nền đê yếu: Kết hợp gia cố nền bằng công nghệ NeowebTM và nâng cao cao trình đê để đảm bảo khả năng chống lũ với mực nước lũ tái lập 50 năm. Thời gian thực hiện: 4 năm. Chủ thể: UBND tỉnh Ninh Bình và các đơn vị liên quan.

  5. Tăng cường công tác quản lý và giám sát khai thác cát, bảo vệ thực vật bờ sông: Xây dựng quy định nghiêm ngặt về khai thác cát, trồng và duy trì lớp phủ thực vật để giảm thiểu tác động nhân sinh gây xói lở. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, chính quyền địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống đê điều, giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  2. Kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi: Tham khảo các phương pháp gia cố mái đê, tính toán áp lực thủy lực, thiết kế kết cấu kè bảo vệ bờ sông trong điều kiện nước lũ dâng cao.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy: Tài liệu tổng hợp lý thuyết, phương pháp và thực tiễn xử lý sạt lở bờ sông, gia cố đê sông, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và ứng dụng thực tế.

  4. Các cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Hiểu rõ tác động của hoạt động nhân sinh và biến đổi dòng chảy đến hiện tượng xói lở bờ sông, từ đó xây dựng chính sách bảo vệ bờ sông bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ sông trong điều kiện nước lũ dâng cao?
    Nước lũ dâng cao gây áp lực lớn lên mái đê, làm tăng nguy cơ xói lở, sạt trượt và phá hủy kết cấu đê. Lựa chọn giải pháp phù hợp giúp bảo vệ an toàn công trình, giảm thiệt hại về người và tài sản.

  2. Các phương pháp gia cố mái đê phổ biến hiện nay là gì?
    Phổ biến gồm gia cố bằng đá lát khan, cấu kiện bê tông đúc sẵn, thảm địa kỹ thuật tổng hợp, kè mỏ hàn và trồng cỏ Vetiver. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, cần lựa chọn phù hợp với điều kiện địa phương.

  3. Cấu kiện bê tông lắp ghép có ngàm ba chiều có ưu điểm gì?
    Loại cấu kiện này có khả năng liên kết mềm dẻo, thích ứng với nền yếu và lún không đều, giảm hiện tượng bong tróc, tăng độ ổn định và tuổi thọ công trình.

  4. Tác động của hoạt động khai thác cát đến hiện tượng xói lở bờ sông như thế nào?
    Khai thác cát bừa bãi làm thay đổi chế độ dòng chảy, làm tăng vận tốc nước và xói lở bờ sông, gây mất ổn định mái đê và nguy cơ sạt lở nghiêm trọng.

  5. Làm thế nào để kiểm tra ổn định mái đê trong điều kiện nước lũ?
    Sử dụng các công thức tính toán áp lực thủy lực, áp lực sóng, áp lực thấm kết hợp mô hình số để đánh giá sức chịu tải và khả năng chống trượt của mái đê, từ đó đề xuất biện pháp gia cố phù hợp.

Kết luận

  • Đê hữu Hoàng Long, tỉnh Ninh Bình hiện có nhiều đoạn mái đê mất ổn định do áp lực sóng tràn và áp lực thủy động, chưa đáp ứng yêu cầu an toàn cho các trận lũ lớn.
  • Các viên gia cố hiện tại có trọng lượng nhỏ, liên kết yếu, dễ bị sóng cuốn trôi, gây bong tróc và xói lở nền đê.
  • Giải pháp gia cố bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn dạng cột, thảm địa kỹ thuật tổng hợp và kè mỏ hàn được đánh giá cao về hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.
  • Cần kết hợp nâng cao cao trình đê, gia cố nền đê yếu và quản lý khai thác tài nguyên để đảm bảo an toàn lâu dài.
  • Tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm các công nghệ mới và giám sát thực địa để hoàn thiện giải pháp bảo vệ bờ sông trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Hành động tiếp theo: Triển khai thí điểm các giải pháp gia cố tại các vị trí xung yếu trong vòng 1-2 năm, đồng thời xây dựng kế hoạch nâng cấp toàn tuyến đê hữu Hoàng Long trong 3-5 năm tới. Các cơ quan quản lý và nhà khoa học cần phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả và bền vững.

Kêu gọi hành động: Các đơn vị liên quan cần ưu tiên đầu tư nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới trong bảo vệ đê điều, đồng thời tăng cường công tác đào tạo, nâng cao nhận thức cộng đồng về phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường bờ sông.