Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống đê điều và kết cấu bảo vệ mái đê, mái sông đóng vai trò quan trọng trong việc phòng chống lũ lụt và bảo vệ đất đai, tài sản tại các vùng đồng bằng và ven sông ở Việt Nam. Tỉnh Quảng Ninh, với địa hình đồi núi phức tạp và hệ thống sông ngắn, dốc lớn như sông Ka Long, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của dòng chảy và biến đổi mực nước theo mùa, dẫn đến nguy cơ sạt trượt mái bờ sông cao. Theo ước tính, lưu lượng dòng chảy mùa mưa có thể tăng lên đến 1.000 lần so với mùa khô, từ 1,45 m³/s lên đến 1.500 m³/s, gây áp lực lớn lên các kết cấu bảo vệ mái đê.

Nghiên cứu tập trung vào lựa chọn kết cấu bảo vệ mái đê sông có độ dốc lớn tại Quảng Ninh nhằm nâng cao độ ổn định, giảm thiểu hiện tượng sạt trượt và hư hỏng công trình. Mục tiêu cụ thể là phân tích cơ chế gây sạt trượt mái bờ sông, đánh giá các phương án kết cấu bảo vệ phù hợp, đồng thời áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng dòng thấm và tính toán hệ số ổn định trong các điều kiện thủy lực khác nhau. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tuyến đê và mái sông tại khu vực thượng lưu sông Ka Long, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2013.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống lũ, bảo vệ an toàn công trình đê điều và giảm thiểu thiệt hại do sạt lở mái bờ sông gây ra, từ đó hỗ trợ phát triển kinh tế - xã hội bền vững tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết áp lực khe rỗng và ứng suất hiệu quả: Áp dụng nguyên lý K.Terzaghi về ứng suất hiệu quả, trong đó áp lực nước trong khe rỗng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ổn định của mái đê và mái sông, đặc biệt trong điều kiện ngâm lũ và lũ rút nhanh.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Sử dụng để giải bài toán dòng thấm không ổn định trong môi trường bão hòa và phi bão hòa, mô phỏng sự phân bố áp lực nước và gradient thấm trong thân đê và mái sông.

  • Phương pháp tính toán ổn định mái đê theo phương pháp trượt cung tròn: Bao gồm các phương pháp tổng ứng lực và ứng lực hữu hiệu, tính toán hệ số an toàn chống trượt dựa trên cân bằng lực và mô men, áp dụng tiêu chuẩn Mohr-Coulomb cho cường độ chống cắt của đất.

  • Khái niệm về đường bão hòa và ảnh hưởng của mực nước hạ thấp: Phân tích vị trí đường bão hòa trong thân đê khi mực nước sông thay đổi, ảnh hưởng đến áp lực thấm và hệ số ổn định mái đê.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực khe rỗng, ứng suất hiệu quả, hệ số thấm, hệ số an toàn chống trượt, đường bão hòa, và mặt trượt cung tròn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các quan trắc thực tế tại các tuyến đê và mái sông thuộc tỉnh Quảng Ninh, kết hợp với số liệu thủy văn, địa chất và vật liệu đất đắp. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các đoạn đê có độ dốc lớn và các vị trí mái sông có hiện tượng sạt trượt nghiêm trọng.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số bằng phần mềm Geo-slope (2007) sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán dòng thấm không ổn định và tính toán áp lực khe rỗng. Đồng thời, áp dụng các phương pháp tính toán ổn định mái đê theo tiêu chuẩn Mohr-Coulomb, bao gồm phương pháp Bishop đơn giản và Janbu tổng quát để xác định hệ số an toàn chống trượt.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 3 năm, từ thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng số đến đánh giá và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của dòng chảy và áp lực thấm đến ổn định mái đê: Kết quả mô phỏng cho thấy áp lực khe rỗng tăng lên đáng kể trong giai đoạn mưa kéo dài, làm giảm hệ số an toàn chống trượt từ khoảng 1,5 xuống còn 1,1, tương đương giảm 27%. Khi mực nước sông hạ thấp từ từ, đường bão hòa di chuyển xuống dưới chân đê, hệ số ổn định tăng nhẹ lên khoảng 1,3.

  2. So sánh hai phương án kết cấu bảo vệ mái đê: Phương án kè lát mái bằng đá xây chít mạch có hệ số ổn định trung bình 1,4, cao hơn 15% so với phương án kè lát đá lát khan (hệ số ổn định khoảng 1,22). Tuy nhiên, phương án đá xây có nguy cơ nứt vỡ cao khi nền đất yếu không đồng đều.

  3. Tốc độ suy giảm hệ số ổn định theo thời gian: Dữ liệu phân tích cho thấy tốc độ suy giảm hệ số ổn định của mái đê dưới tác động của dòng chảy và áp lực thấm dao động từ 0,02 đến 0,05 mỗi năm, tùy thuộc vào loại kết cấu và điều kiện địa chất.

  4. Hiệu quả của các biện pháp bảo vệ mềm như trồng cỏ: Trồng cỏ bảo vệ mái đê giúp giảm tốc độ xói mòn bề mặt khoảng 30%, tuy nhiên chỉ chịu được tốc độ dòng chảy bề mặt tối đa khoảng 0,5 m/s, không phù hợp với các đoạn sông có dòng chảy mạnh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng sạt trượt mái đê là sự thay đổi áp lực khe rỗng trong đất do dòng thấm và biến động mực nước sông, kết hợp với tác động cơ học của sóng và tải trọng trên mái đê. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dòng thấm giúp đánh giá chính xác hơn sự phân bố áp lực nước và ảnh hưởng đến ổn định mái đê.

Việc lựa chọn kết cấu bảo vệ phù hợp cần cân nhắc giữa độ ổn định cơ học và khả năng thích ứng với điều kiện địa chất phức tạp. Kè lát đá xây chít mạch tuy có hệ số ổn định cao nhưng dễ bị hư hỏng do nứt vỡ khi nền đất yếu, trong khi kè lát đá lát khan có tính linh hoạt hơn nhưng dễ bị xói mòn theo thời gian.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa hệ số ổn định và thời gian, cũng như bảng so sánh các phương án kết cấu về hệ số an toàn và tốc độ suy giảm. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và hạn chế của từng giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng kết cấu kè lát mái bằng đá xây chít mạch có gia cố chân mái nhằm tăng độ ổn định và giảm nguy cơ nứt vỡ, đặc biệt tại các đoạn đê có nền đất yếu. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Quảng Ninh chủ trì.

  2. Tăng cường hệ thống thoát nước và kiểm soát áp lực thấm bằng cách lắp đặt hệ thống cống thoát nước ngầm và sử dụng vật liệu có hệ số thấm thấp trong thân đê, nhằm giảm áp lực nước trong đất. Giải pháp này cần triển khai trong vòng 1-2 năm.

  3. Phát triển và duy trì lớp phủ thực vật bảo vệ mái đê bằng các loại cỏ chịu nước và có bộ rễ phát triển mạnh, giúp giảm xói mòn bề mặt và tăng cường liên kết đất. Khuyến nghị thực hiện hàng năm, do các đơn vị quản lý đê điều phối hợp với địa phương.

  4. Nâng cao năng lực giám sát và cảnh báo sạt trượt mái đê thông qua việc ứng dụng công nghệ cảm biến đo áp lực nước và chuyển vị mái đê, giúp phát hiện sớm các nguy cơ và có biện pháp xử lý kịp thời. Thời gian triển khai 1 năm, do các cơ quan chuyên môn phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư công trình thủy lợi: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì hệ thống đê điều, giảm thiểu rủi ro sạt trượt.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng dân dụng và thủy lợi: Tài liệu chi tiết về lý thuyết áp lực khe rỗng, phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích ổn định mái đê giúp mở rộng kiến thức chuyên môn.

  3. Cơ quan quản lý thiên tai và phòng chống lũ lụt: Thông tin về cơ chế sạt trượt và các giải pháp bảo vệ mái đê hỗ trợ công tác dự báo, cảnh báo và ứng phó kịp thời với thiên tai.

  4. Các nhà đầu tư và đơn vị thi công công trình đê điều: Giúp lựa chọn phương án kết cấu phù hợp, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn công trình trong điều kiện địa chất và thủy văn phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao áp lực khe rỗng lại ảnh hưởng lớn đến ổn định mái đê?
    Áp lực khe rỗng làm giảm ứng suất hiệu quả trong đất, từ đó giảm khả năng chống cắt và tăng nguy cơ sạt trượt. Ví dụ, trong mùa mưa kéo dài, áp lực này tăng lên khiến hệ số an toàn giảm đáng kể.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác sự phân bố áp lực nước và dòng thấm trong thân đê, giúp đánh giá tác động của biến đổi mực nước và điều kiện đất đắp một cách chi tiết hơn so với các phương pháp truyền thống.

  3. Kè lát đá xây chít mạch có nhược điểm gì?
    Nhược điểm chính là dễ bị nứt vỡ khi nền đất yếu và không đồng đều, do sự co giãn không đồng đều của khối kết cấu lớn, dẫn đến hư hỏng nhanh chóng nếu không có biện pháp gia cố chân mái.

  4. Tại sao cần duy trì lớp phủ thực vật trên mái đê?
    Lớp phủ thực vật giúp giảm xói mòn bề mặt, tăng cường liên kết đất nhờ bộ rễ, đồng thời thân thiện với môi trường và chi phí thấp, phù hợp với các đoạn đê có dòng chảy bề mặt không quá mạnh.

  5. Làm thế nào để giám sát sạt trượt mái đê hiệu quả?
    Ứng dụng công nghệ cảm biến đo áp lực nước, chuyển vị và độ ẩm đất giúp phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời, giảm thiểu thiệt hại do sạt trượt gây ra.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã làm rõ cơ chế gây sạt trượt mái đê sông có độ dốc lớn tại Quảng Ninh, đặc biệt ảnh hưởng của áp lực khe rỗng và dòng thấm.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng thành công trong mô phỏng dòng thấm và tính toán ổn định mái đê.
  • Kè lát đá xây chít mạch được đánh giá là phương án kết cấu bảo vệ hiệu quả nhất trong điều kiện địa chất phức tạp.
  • Các giải pháp kỹ thuật đề xuất bao gồm gia cố chân mái, kiểm soát áp lực thấm, duy trì lớp phủ thực vật và nâng cao giám sát công trình.
  • Tiếp theo, cần triển khai thí điểm các giải pháp tại các đoạn đê trọng điểm và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các vùng đê khác.

Hành động ngay: Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công nên phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật đã đề xuất để nâng cao hiệu quả bảo vệ mái đê, giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ an toàn cho cộng đồng dân cư.