Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có đường bờ biển dài trên 700 km, trải dài qua 23 cửa sông, là khu vực chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của hiện tượng sạt lở bờ biển. Trong những năm gần đây, tình trạng sạt lở đã gây thiệt hại nặng nề về người và tài sản, với hàng chục người thiệt mạng, nhiều khu phố, làng mạc bị cuốn trôi, cùng với sự phá hủy các công trình hạ tầng như cầu cống, đường xá, trường học và các công trình văn hóa. Đặc biệt, các khu vực cửa sông biển Gành Hào (Bạc Liêu), B6 Đề (Cà Mau), và bờ biển U Minh Hạ (Cà Mau) là những điểm nóng về sạt lở. Nguyên nhân chính bao gồm biến đổi khí hậu, nước biển dâng và sự suy giảm rừng phòng hộ ven biển, khiến sóng biển tác động trực tiếp vào thân đê, làm gia tăng nguy cơ sạt lở.

Trước thực trạng này, các địa phương và ngành chức năng đã triển khai nhiều biện pháp kỹ thuật và quy hoạch đồng bộ nhằm bảo vệ bờ biển. Trong đó, công trình giảm sóng xa bờ, đặc biệt là công nghệ đê trụ rỗng, được xem là giải pháp ưu tiên hàng đầu nhằm giảm sóng tác động lên bờ, chống xói lở và bảo vệ hệ sinh thái ven biển. Đê trụ rỗng đã được thử nghiệm thành công tại bờ biển Tây tỉnh Cà Mau với chiều dài 180 m (năm 2017) và 500 m (năm 2019), cũng như tại phường Nhà Mát, thành phố Bạc Liêu với chiều dài 60 m (năm 2019).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và tính toán ổn định đê trụ rỗng trên nền đất yếu bảo vệ bờ biển Đông khu vực ĐBSCL, cụ thể là ứng dụng cho công trình giảm sóng tại phường Nhà Mát, thành phố Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu. Nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình tính toán ổn định, xác định chiều dài chân khay tối ưu và đánh giá hiệu quả ứng dụng công nghệ đê trụ rỗng trong điều kiện địa chất và thủy văn đặc thù của vùng biển Đông ĐBSCL. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và quản lý các công trình giảm sóng xa bờ, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững vùng ven biển.

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 sau:

  • Nguyên lý ổn định nền móng trên nền đất yếu: Phân tích các cơ chế phá hoại công trình trên nền đất yếu, bao gồm phá hoại cắt trượt tổng thể, cục bộ và kiểu xuyên, nhằm đánh giá trạng thái giới hạn ổn định của đê trụ rỗng khi chịu tải trọng đứng, ngang và mô men đồng thời.

  • Mô hình tính toán áp lực sóng tác dụng lên công trình: Áp dụng phương pháp Tanimoto và Takahashi để xác định lực sóng tác dụng lên đê trụ rỗng dạng nửa hình tròn, phù hợp với đặc điểm sóng và mực nước tại khu vực nghiên cứu.

  • Mô hình phần tử hữu hạn (Phần mềm Plaxis V8.5): Sử dụng mô phỏng tương tác kết cấu đê trụ rỗng với nền đất yếu, phân tích chuyển vị, ứng suất và hệ số ổn định dưới các tổ hợp tải trọng thủy hải văn đặc trưng.

  • Các khái niệm chính:

    • Đê trụ rỗng (ĐTR): Kết cấu bê tông cốt thép dạng trụ rỗng, có lỗ tiêu sóng trên thân để giảm năng lượng sóng truyền qua.
    • Nền đất yếu: Đất có sức chịu tải thấp, tính nén lún lớn, hệ số rỗng cao, thường là đất sét mềm hoặc bùn hữu cơ.
    • Ổn định trượt và chống lật: Các trạng thái giới hạn đảm bảo công trình không bị trượt hoặc lật dưới tác động của tải trọng thủy lực và trọng lượng bản thân.
    • Chân khay đê trụ rỗng: Phần mở rộng dưới đáy đê nhằm tăng diện tích tiếp xúc và lực ma sát với nền đất, nâng cao độ ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:

    • Số liệu địa chất, địa hình, thủy hải văn thu thập từ các dự án, đề tài nghiên cứu tại khu vực phường Nhà Mát, thành phố Bạc Liêu.
    • Dữ liệu thí nghiệm mô hình vật lý và số liệu thực tế từ các công trình đê trụ rỗng tại bờ biển Tây ĐBSCL.
    • Tiêu chuẩn thiết kế và quy phạm kỹ thuật hiện hành như TCVN 4253:2012, TCCS 01:2018/VTC.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phân tích thống kê và xử lý số liệu thủy hải văn, địa chất để xác định điều kiện biên thiết kế.
    • Kế thừa và phát triển các phương pháp tính toán ổn định đê trụ rỗng dựa trên lý thuyết cơ học đất và thủy lực.
    • Mô phỏng phần tử hữu hạn để đánh giá ảnh hưởng của chiều dài chân khay đến độ ổn định tổng thể của công trình.
    • So sánh kết quả tính toán theo phương pháp giải tích và mô phỏng số để đảm bảo độ tin cậy.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Thu thập và xử lý số liệu: 3 tháng.
    • Phân tích lý thuyết và xây dựng mô hình tính toán: 4 tháng.
    • Mô phỏng và đánh giá kết quả: 3 tháng.
    • Tổng hợp, viết luận văn và hoàn thiện: 2 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Quy trình tính toán ổn định đê trụ rỗng trên nền đất yếu:
    Luận văn xây dựng thành công quy trình tính toán ổn định theo trạng thái giới hạn I, kết hợp tải trọng đứng, ngang và mô men. Kết quả cho thấy hệ số an toàn trượt đạt khoảng 1,3 - 1,5 và hệ số chống lật trên 1,2 khi chiều dài chân khay đạt từ 1,0 đến 1,5 m, đảm bảo yêu cầu thiết kế.

  2. Ảnh hưởng của chiều dài chân khay đến độ ổn định:
    Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy khi tăng chiều dài chân khay từ 0,25 m lên 2,0 m, hệ số ổn định trượt tăng từ khoảng 1,1 lên 1,6, đồng thời chuyển vị nền giảm 15-20%. Chiều dài chân khay tối ưu được xác định trong khoảng 1,0 - 1,5 m, cân bằng giữa hiệu quả ổn định và chi phí thi công.

  3. Tính toán áp lực sóng tác dụng lên đê trụ rỗng:
    Áp lực sóng được xác định theo phương pháp Tanimoto và Takahashi, với áp lực ngang trung bình khoảng 5,14 kN/m² trong điều kiện sóng thiết kế cao 1,0 m và chu kỳ 6 giây. Áp lực này phù hợp với các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý và thực tế tại khu vực.

  4. So sánh phương pháp giải tích và mô phỏng phần tử hữu hạn:
    Kết quả tính toán hệ số ổn định trượt theo phương pháp giải tích và mô phỏng phần tử hữu hạn có sự chênh lệch dưới 10%, cho thấy tính khả thi và độ tin cậy của mô hình số trong việc đánh giá ổn định đê trụ rỗng trên nền đất yếu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm tăng độ ổn định của đê trụ rỗng là sự gia tăng diện tích tiếp xúc giữa kết cấu và nền đất nhờ chân khay, đồng thời tăng trọng lượng bản thân kết cấu khi đổ đá gia cố trong lòng đê. Điều này làm tăng lực ma sát và giảm nguy cơ trượt, lật công trình. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sự phân bố ứng suất và chuyển vị nền hợp lý, không gây lún cục bộ quá mức.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung chủ yếu ở bờ biển Tây ĐBSCL, nghiên cứu này đã bổ sung cơ sở khoa học cho việc ứng dụng đê trụ rỗng tại bờ biển Đông với điều kiện địa chất và thủy văn khác biệt, như sóng lớn hơn, mực nước biến động phức tạp hơn. Việc xây dựng đường tương quan giữa chiều dài chân khay và hệ số ổn định là bước tiến quan trọng, giúp thiết kế công trình phù hợp, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ biển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hệ số ổn định trượt và chuyển vị nền theo chiều dài chân khay, bảng tổng hợp áp lực sóng và hệ số an toàn, giúp minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa các biến số và hiệu quả công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng chiều dài chân khay đê trụ rỗng trong khoảng 1,0 - 1,5 m để đảm bảo hệ số ổn định trượt và chống lật đạt yêu cầu thiết kế, giảm thiểu nguy cơ sạt lở công trình. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và thi công công trình ven biển. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng mới và cải tạo.

  2. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế và đánh giá ổn định công trình nhằm nâng cao độ chính xác và tin cậy của các phương pháp tính toán truyền thống. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu, các công ty tư vấn kỹ thuật. Thời gian: đào tạo và triển khai trong 1-2 năm tới.

  3. Tăng cường khảo sát địa chất và thủy hải văn chi tiết tại khu vực xây dựng để có số liệu đầu vào chính xác, phục vụ tính toán ổn định và thiết kế công trình phù hợp với điều kiện thực tế. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý, chủ đầu tư. Thời gian: trước khi triển khai dự án.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thiết kế đê trụ rỗng cho bờ biển Đông ĐBSCL dựa trên kết quả nghiên cứu, nhằm chuẩn hóa quy trình thiết kế, thi công và nghiệm thu công trình. Chủ thể thực hiện: Viện Thủy công, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Thời gian: trong vòng 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và tư vấn công trình ven biển: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán ổn định đê trụ rỗng trên nền đất yếu, giúp thiết kế công trình phù hợp với điều kiện địa chất và thủy văn đặc thù của ĐBSCL.

  2. Các cơ quan quản lý và chủ đầu tư dự án bảo vệ bờ biển: Thông tin về hiệu quả và ứng dụng thực tiễn của công nghệ đê trụ rỗng hỗ trợ ra quyết định đầu tư, lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy lợi, xây dựng công trình thủy: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo về lý thuyết ổn định công trình trên nền đất yếu, mô hình tính toán và phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn.

  4. Các đơn vị thi công và giám sát công trình ven biển: Hiểu rõ đặc điểm kỹ thuật, yêu cầu thi công và kiểm tra chất lượng công trình đê trụ rỗng, đảm bảo tiến độ và an toàn trong quá trình thi công.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đê trụ rỗng là gì và có ưu điểm gì so với các công trình giảm sóng khác?
    Đê trụ rỗng là kết cấu bê tông cốt thép dạng trụ rỗng có lỗ tiêu sóng trên thân, giúp giảm năng lượng sóng truyền qua, giảm sóng phản xạ và áp lực lên bờ. Ưu điểm là giảm thiểu tác động môi trường, dễ thi công, chi phí hợp lý và hiệu quả bảo vệ bờ biển cao.

  2. Tại sao cần tính toán ổn định đê trụ rỗng trên nền đất yếu?
    Nền đất yếu có sức chịu tải thấp và tính nén lún lớn, nếu không tính toán kỹ sẽ gây sạt lở, trượt hoặc lật công trình. Tính toán ổn định giúp đảm bảo an toàn, tuổi thọ và hiệu quả công trình trong điều kiện địa chất đặc thù.

  3. Chiều dài chân khay ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định của đê trụ rỗng?
    Chiều dài chân khay tăng làm tăng diện tích tiếp xúc với nền đất, tăng lực ma sát và trọng lượng bản thân, từ đó nâng cao hệ số ổn định trượt và chống lật, giảm chuyển vị nền, giúp công trình bền vững hơn.

  4. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng tương tác phức tạp giữa kết cấu và nền đất, đánh giá chính xác ứng suất, chuyển vị và hệ số ổn định dưới các tải trọng đồng thời, giúp thiết kế công trình tối ưu và tin cậy hơn.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các khu vực ven biển khác không?
    Kết quả nghiên cứu phù hợp với điều kiện địa chất và thủy văn đặc thù của bờ biển Đông ĐBSCL. Tuy nhiên, với điều chỉnh phù hợp về số liệu đầu vào, phương pháp và tiêu chuẩn, có thể áp dụng cho các khu vực ven biển có điều kiện tương tự.

Kết luận

  • Đã xây dựng quy trình tính toán ổn định đê trụ rỗng trên nền đất yếu theo trạng thái giới hạn I, kết hợp tải trọng đứng, ngang và mô men.
  • Xác định chiều dài chân khay tối ưu trong khoảng 1,0 - 1,5 m, giúp nâng cao hệ số ổn định trượt và chống lật, giảm chuyển vị nền.
  • Áp lực sóng tác dụng lên đê trụ rỗng được tính toán chính xác theo phương pháp Tanimoto và Takahashi, phù hợp với điều kiện thủy văn khu vực.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn cho kết quả tin cậy, hỗ trợ thiết kế và đánh giá công trình hiệu quả.
  • Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế, thi công và quản lý công trình giảm sóng tại bờ biển Đông ĐBSCL, góp phần bảo vệ bờ biển và phát triển bền vững vùng ven biển.

Next steps: Triển khai áp dụng quy trình tính toán và thiết kế đê trụ rỗng có chân khay tại các dự án thực tế, đồng thời hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật cho khu vực bờ biển Đông ĐBSCL.

Call to action: Các nhà quản lý, thiết kế và thi công công trình ven biển nên nghiên cứu và áp dụng công nghệ đê trụ rỗng để nâng cao hiệu quả bảo vệ bờ biển, đồng thời phối hợp nghiên cứu tiếp tục để hoàn thiện giải pháp kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa phương.