Tổng quan nghiên cứu

Sạt lở bờ sông là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế, xã hội và an toàn của các khu vực ven sông trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam. Theo báo cáo của ngành, sạt lở bờ sông diễn ra ở hầu hết các tiền sông và các địa phương có sông lớn, gây thiệt hại về đất đai, nhà cửa, thậm chí đe dọa tính mạng con người. Tại Việt Nam, công trình kè bảo vệ bờ sông đóng vai trò quan trọng trong việc chống xói lở, bảo vệ dân cư và các khu vực kinh tế văn hóa hai bên bờ sông. Tuy nhiên, nhiều công trình kè hiện nay vẫn gặp phải các vấn đề về ổn định, đặc biệt là đoạn kè Hàm Rồng trên đê hữu sông Mã, tỉnh Thanh Hóa, nơi đã xuất hiện hiện tượng sạt lở nghiêm trọng sau khi xây dựng.

Luận văn tập trung nghiên cứu nguyên nhân sạt lở và đề xuất giải pháp xử lý đoạn kè Hàm Rồng từ K39+350 đến K39+425, dài 75m, nơi có hiện tượng sụt lún sâu tới 2,5m sau trận lũ tháng 9/2012. Mục tiêu cụ thể là đánh giá các tồn tại trong xây dựng kè, phân tích điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và tác động của dòng chảy, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm đảm bảo ổn định và an toàn cho công trình. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực kè Hàm Rồng thuộc đê hữu sông Mã, TP Thanh Hóa, với dữ liệu khảo sát địa hình, địa chất và thủy văn thu thập từ năm 2009 đến 2013.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ an toàn đê điều, quốc lộ 1A, tuyến đường sắt Bắc Nam và cảnh quan đô thị Thanh Hóa, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và quy hoạch công trình bảo vệ bờ sông trong điều kiện biến đổi khí hậu và thủy văn 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 sông và kỹ thuật xây dựng công trình bảo vệ bờ sông. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết cơ học đất và ổn định kết cấu kè: Phân tích áp lực đất chủ động, áp lực nước thấm trong đất, và các lực tác động lên kết cấu kè theo các công thức cơ học đất truyền thống. Khái niệm áp lực chủ động được mô tả qua công thức:

$$ p = z h \cdot \tan^2(45^\circ - \frac{\varphi}{2}) $$

trong đó $p$ là áp suất chủ động, $z$ là chiều sâu, $h$ là cột đất, và $\varphi$ là góc ma sát trong của đất.

  1. Mô hình thủy lực và ảnh hưởng dòng chảy: Nghiên cứu tác động của dòng chảy sông, thủy triều và biến động mực nước đến hiện tượng xói lở chân kè và ổn định mái bờ. Mô hình này giúp đánh giá sự phân bố vận tốc dòng chảy và áp lực thủy lực tác động lên công trình.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: kè bảo vệ bờ sông, áp lực đất chủ động, áp lực nước thấm, ổn định tổng thể và cục bộ của kè, vật liệu gia cố (vải địa kỹ thuật, thảm bê tông túi khuôn), và công nghệ gia cố nền đất yếu (NeowebTM, cọc xi măng đất).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực địa, đo đạc địa hình, khoan khảo sát địa chất, và quan trắc thủy văn tại đoạn kè Hàm Rồng từ năm 2009 đến 2013. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm nhiều mặt cắt ngang địa chất và địa hình, với các số liệu cụ thể như độ sâu lòng sông lên đến 32m, độ lún mặt bằng lên tới 2,5m.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích địa chất và địa hình: Xác định đặc điểm đất đắp, đất nền, các lớp đất yếu và cấu trúc địa chất phức tạp tại khu vực nghiên cứu.
  • Phân tích thủy lực: Mô phỏng dòng chảy, ảnh hưởng thủy triều và vận tốc dòng chảy đến hiện tượng xói lở chân kè.
  • Tính toán ổn định kết cấu kè: Sử dụng phần mềm chuyên dụng để kiểm tra ổn định tổng thể và cục bộ của kè theo các trường hợp tải trọng khác nhau, bao gồm tải trọng đất, nước và tải trọng thi công.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật: Dựa trên kết quả phân tích, lựa chọn các giải pháp gia cố nền, xử lý chân kè và cải tạo kết cấu phù hợp.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2009 đến 2014, bao gồm các giai đoạn khảo sát, phân tích, thiết kế giải pháp và đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng sạt lở nghiêm trọng tại đoạn kè K39+350 - K39+425: Sau trận lũ tháng 9/2012, đoạn kè dài 75m xuất hiện các vết rạn nứt rộng 15-20cm, sụt lún mặt bằng lên đến 2,5m so với thời điểm hoàn thành công trình. Độ sâu lòng sông tại khu vực này lên tới 32m, chênh lệch cao độ mặt bãi và đáy sông hơn 35m, tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy mạnh gây xói lở.

  2. Điều kiện địa chất phức tạp và yếu kém: Khảo sát địa chất cho thấy khu vực có nhiều lớp đất yếu, đất sét dẻo mềm xen kẽ với các thấu kính hữu cơ, độ cứng thấp (góc ma sát trong khoảng 20°), và có thể tồn tại các hố bom cũ ảnh hưởng đến ổn định nền móng. Đặc biệt, lớp đất yếu dày khoảng 10m dưới chân kè làm tăng nguy cơ trượt và sụt lún.

  3. Ảnh hưởng của dòng chảy và thủy triều: Dòng chảy sông Mã bị thu hẹp do núi đá hai bên bờ, kết hợp với ảnh hưởng thủy triều làm tăng vận tốc dòng chảy và áp lực xói lở tại chân kè. Mực nước thủy triều thay đổi lớn, đặc biệt trong mùa mưa lũ, làm gia tăng áp lực thủy lực và gây xói rỗng chân kè.

  4. Thiết kế và thi công chưa phù hợp: Thiết kế kè năm 2009 chưa khảo sát kỹ địa chất tại vị trí sạt lở, dẫn đến tính toán ổn định dựa trên thông số đất tốt hơn thực tế. Quá trình thi công không bảo vệ chân kè đủ sâu, thi công phần mái trước khi xử lý nền móng, làm tăng nguy cơ mất ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng sạt lở là sự kết hợp giữa điều kiện địa chất yếu, tác động mạnh của dòng chảy và thủy triều, cùng với thiết kế và thi công chưa phù hợp. Dữ liệu khảo sát địa chất và địa hình cho thấy sự không đồng nhất của nền đất và sự thay đổi lớn về cao độ lòng sông tạo ra các điểm yếu cục bộ.

So sánh với các nghiên cứu về kè bảo vệ bờ sông tại Đồng bằng sông Cửu Long và các vùng đồng bằng khác, hiện tượng mất ổn định do xói chân kè và nền đất yếu là phổ biến. Tuy nhiên, tại Hàm Rồng, sự phức tạp của địa hình núi đá hai bên bờ và ảnh hưởng thủy triều làm tình hình trở nên nghiêm trọng hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến động độ lún theo thời gian, bản đồ phân bố vận tốc dòng chảy và mặt cắt địa chất ngang kè để minh họa rõ ràng các yếu tố ảnh hưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cố nền móng bằng công nghệ NeowebTM: Áp dụng hệ thống lưới địa kỹ thuật NeowebTM để gia cố nền đất yếu, tăng cường khả năng chịu lực và ổn định mái kè. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do đơn vị thi công chuyên ngành đảm nhận.

  2. Xử lý chân kè bằng thảm đá và thảm bê tông túi khuôn: Sử dụng thảm đá bọc lưới thép và thảm bê tông túi khuôn để bảo vệ chân kè khỏi xói rỗng, giảm thiểu hiện tượng đá bị cuốn trôi. Giải pháp này cần được triển khai ngay trong giai đoạn sửa chữa khẩn cấp.

  3. Cải tiến kết cấu kè bằng bê tông cốt thép có neo: Thiết kế lại phần kết cấu kè với hệ thống neo giữ chắc chắn, tăng khả năng chịu lực ngang và giảm chuyển vị. Thời gian thiết kế và thi công khoảng 12-18 tháng, phối hợp với các cơ quan quản lý địa phương.

  4. Ứng dụng công nghệ thi công bê tông dưới nước và cải tiến biện pháp thi công đá hộ chân: Áp dụng bê tông đổ dưới nước có phụ gia đông kết nhanh và thả đá hộ chân bằng thùng chứa có lớp lọc cát, sỏi để đảm bảo chất lượng và hình dạng khối đá theo thiết kế, hạn chế xói lở trong quá trình thi công.

  5. Kết hợp công trình cứng và mềm: Trồng cỏ Vetiver và sử dụng vải địa kỹ thuật kết hợp với kết cấu bê tông để vừa tăng ổn định chân kè vừa tạo cảnh quan thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, phù hợp với các dự án cải tạo cảnh quan đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi, đê điều: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và giải pháp kỹ thuật cụ thể để nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì công trình kè bảo vệ bờ sông.

  2. Các chuyên gia địa chất và thủy văn: Thông tin chi tiết về điều kiện địa chất, địa hình và thủy văn khu vực Hàm Rồng giúp hiểu rõ cơ chế sạt lở và áp dụng mô hình phân tích phù hợp.

  3. Các nhà quy hoạch đô thị và môi trường: Luận văn đề xuất giải pháp kết hợp công trình cứng và mềm, góp phần bảo vệ cảnh quan và môi trường sống ven sông, phù hợp với quy hoạch phát triển bền vững.

  4. Sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành xây dựng thủy lợi, kỹ thuật công trình: Tài liệu tham khảo thực tiễn về phân tích nguyên nhân sạt lở, phương pháp khảo sát và thiết kế giải pháp xử lý công trình bảo vệ bờ sông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây sạt lở kè Hàm Rồng là gì?
    Nguyên nhân chính là sự kết hợp giữa nền đất yếu, dòng chảy mạnh do lòng sông bị thu hẹp và ảnh hưởng thủy triều, cùng với thiết kế và thi công chưa phù hợp, dẫn đến mất ổn định chân kè và sụt lún mặt bằng.

  2. Giải pháp gia cố nền đất yếu nào được đề xuất?
    Sử dụng công nghệ NeowebTM với hệ thống lưới địa kỹ thuật để gia cố nền đất, tăng cường khả năng chịu lực và ổn định mái kè, giúp giảm nguy cơ trượt và sụt lún.

  3. Tại sao cần kết hợp công trình cứng và mềm trong bảo vệ bờ sông?
    Kết hợp giúp vừa đảm bảo ổn định kết cấu kè vừa tạo cảnh quan thân thiện môi trường, cải thiện môi trường sống và giảm chi phí bảo trì lâu dài.

  4. Phương pháp thi công bê tông dưới nước có ưu điểm gì?
    Bê tông đổ dưới nước có phụ gia đông kết nhanh, không phân rã trong nước, giúp thi công nhanh, đảm bảo chất lượng và hình dạng công trình trong điều kiện thi công phức tạp.

  5. Làm thế nào để kiểm soát hiện tượng xói chân kè trong quá trình thi công?
    Áp dụng biện pháp thả đá hộ chân bằng thùng chứa có lớp lọc cát, sỏi và sử dụng thảm đá bọc lưới thép để bảo vệ chân kè, đồng thời kiểm tra và giám sát chặt chẽ tiến độ thi công.

Kết luận

  • Đoạn kè Hàm Rồng từ K39+350 đến K39+425 bị sạt lở nghiêm trọng do điều kiện địa chất yếu, dòng chảy mạnh và thiết kế thi công chưa phù hợp.
  • Khảo sát địa chất và thủy văn chi tiết cung cấp cơ sở khoa học để phân tích nguyên nhân và đề xuất giải pháp kỹ thuật.
  • Giải pháp xử lý bao gồm gia cố nền bằng NeowebTM, bảo vệ chân kè bằng thảm đá và bê tông túi khuôn, cải tiến kết cấu bê tông cốt thép có neo và ứng dụng công nghệ thi công hiện đại.
  • Kết hợp công trình cứng và mềm giúp tăng hiệu quả bảo vệ, đồng thời cải thiện cảnh quan và môi trường.
  • Các bước tiếp theo là triển khai thí điểm giải pháp, giám sát hiệu quả và mở rộng áp dụng cho các đoạn kè khác trong khu vực.

Hành động ngay: Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công cần phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật đã đề xuất để đảm bảo an toàn và bền vững cho công trình kè Hàm Rồng, góp phần bảo vệ an toàn cho TP Thanh Hóa và vùng lân cận.