Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng sạt lở bờ sông tại Đồng bằng Sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh Đồng Tháp, đang diễn biến phức tạp, gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng và tài sản của người dân. Từ năm 2005 đến 2014, trên địa bàn tỉnh Đồng Tháp đã ghi nhận 84 đoạn bờ sông bị sạt lở với tổng chiều dài lên đến 703 km, diện tích sạt lở khoảng 283 ha, ảnh hưởng đến gần 19.000 hộ dân, trong đó hơn 6.400 hộ đã phải di dời, gây thiệt hại kinh tế ước tính trên 227 tỷ đồng. Đồng Tháp là tỉnh đầu nguồn của sông Tiền và sông Hậu, hai tuyến sông huyết mạch cung cấp nước ngọt, phù sa, thủy sản và vật liệu xây dựng, đồng thời giữ vai trò quan trọng trong an ninh quốc phòng vùng Nam Bộ. Tuy nhiên, đặc điểm địa chất với các lớp đất yếu, trầm tích phù sa dày và tính chất cơ học kém đã làm gia tăng nguy cơ mất ổn định bờ sông, dẫn đến sạt lở nghiêm trọng.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển phương pháp phân tích giới hạn dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn trơn (ES-FEM) kết hợp chương trình tối ưu nón bậc hai (SOCP) để đánh giá ổn định mái dốc bờ sông Tiền, sông Hậu tại Đồng Tháp. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định hệ số an toàn, cơ cấu trượt và đề xuất giải pháp chống sạt lở phù hợp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các số liệu địa chất thực tế thu thập từ các hố khoan tại Đồng Tháp, với thời gian khảo sát từ năm 2012 đến 2014. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ thiết kế, thẩm định và giám sát các công trình bờ kè, góp phần giảm thiểu thiệt hại do sạt lở gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết phân tích giới hạn trong cơ học đất, sử dụng mô hình dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb và luật chảy dẻo kết hợp để mô tả ứng xử của đất nền. Hai định lý cận trên và cận dưới của Drucker được áp dụng để xác định tải trọng giới hạn và cơ cấu phá hoại của mái dốc. Phương pháp phân tích giới hạn cận trên được ưu tiên, trong đó trường biến dạng được xấp xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn trơn dựa trên cạnh (ES-FEM), giúp khử hiện tượng “locking” và tối ưu chi phí tính toán.

Phương pháp tối ưu nón bậc hai (SOCP) được sử dụng để giải bài toán tối ưu hóa với ràng buộc hình nón bậc hai, phù hợp với tiêu chuẩn chảy dẻo Mohr-Coulomb. SOCP cho phép xử lý bài toán với số biến lớn (hàng triệu biến) một cách nhanh chóng và chính xác. Các khái niệm chính bao gồm: năng lượng tiêu tán dẻo, trường chuyển vị khả dĩ động, cơ cấu trượt, hệ số an toàn mái dốc và mô hình địa chất nhiều lớp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu địa chất thực tế thu thập từ 5 hố khoan tại Đồng Tháp, với chiều sâu khảo sát đến 30 m, bao gồm các lớp đất phù sa, sét, cát pha và thấu kính đất đặc trưng. Các chỉ tiêu cơ lý như độ ẩm, dung trọng, lực dính, góc ma sát trong được xác định qua thí nghiệm tiêu chuẩn SPT và phân tích mẫu đất.

Phương pháp phân tích sử dụng ES-FEM để rời rạc hóa trường biến dạng trên miền tính toán, kết hợp với chương trình tối ưu Mosek giải bài toán SOCP nhằm xác định trường biến dạng dẻo ứng với cơ chế phá hoại. Lưới phần tử hữu hạn được tạo với 3311 phần tử tam giác và 1711 nút, kích thước phần tử nhỏ tại vùng mái dốc để tăng độ chính xác. Timeline nghiên cứu bao gồm khảo sát địa chất (2012), phát triển thuật toán và mô hình hóa (2013), tính toán và phân tích kết quả (2014).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hệ số ổn định mái dốc bờ sông Tiền: Khi giả định nền đất đồng nhất với góc ma sát trong trung bình $\varphi = 15.7^\circ$ và lực dính $c = 0.1583$ kg/cm$^2$, hệ số ổn định mái dốc đạt $N_s = 1.5$. Khi xét riêng lớp đất số 2 với $\varphi = 6.08^\circ$, $c = 0.088$ kg/cm$^2$, hệ số ổn định giảm còn $N_s = 1.8$, cho thấy lớp đất yếu chiếm ưu thế ảnh hưởng lớn đến ổn định.

  2. Ảnh hưởng góc mái dốc đến hệ số ổn định: Hệ số ổn định giảm dần khi góc mái dốc tăng từ $50^\circ$ đến $90^\circ$, với $N_s$ lần lượt là 1.12, 1.13, 1.14 và giảm xuống 0.9127 tại góc $90^\circ$. Điều này cho thấy mái dốc đứng có nguy cơ sạt lở cao nhất.

  3. Ảnh hưởng vị trí móng công trình: Khi khoảng cách từ mép móng đến đỉnh mái dốc $L/B$ tăng từ 0 đến 7, hệ số ổn định tăng từ 11.5 lên 41, cho thấy xây dựng công trình càng xa mép bờ sông càng an toàn. Khi $L/B > 7$, móng công trình không ảnh hưởng đến ổn định mái dốc mà chỉ tác động cục bộ như móng trên nền phẳng.

  4. Cơ cấu trượt và năng lượng tiêu tán dẻo: Các mô hình ES-FEM cho thấy cơ cấu trượt tập trung tại các vùng đất yếu, với năng lượng tiêu tán dẻo cao nhất tại lớp đất số 2. So sánh với phương pháp FEM truyền thống, ES-FEM cho kết quả chính xác hơn và hội tụ nhanh hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng sạt lở là do đặc điểm địa chất với các lớp đất yếu, trầm tích phù sa dày và tính chất cơ học kém, kết hợp với tác động của trọng lực và tải trọng công trình. Kết quả hệ số ổn định giảm khi góc mái dốc tăng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ổn định mái dốc. Việc sử dụng ES-FEM kết hợp SOCP giúp khắc phục hiện tượng “locking” trong phân tích giới hạn, nâng cao độ chính xác và hiệu quả tính toán so với các phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa góc mái dốc và hệ số ổn định, cũng như biểu đồ thể hiện ảnh hưởng khoảng cách móng đến hệ số ổn định. Bảng tổng hợp các thông số cơ lý của các lớp đất và kết quả hệ số an toàn cũng giúp minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và khảo sát địa chất định kỳ nhằm cập nhật chính xác đặc điểm địa chất và biến đổi địa hình bờ sông, đặc biệt tại các khu vực có lớp đất yếu chiếm ưu thế.

  2. Thiết kế mái dốc với góc nghiêng phù hợp, ưu tiên góc nhỏ hơn 70 độ để đảm bảo hệ số ổn định trên 1.1, giảm thiểu nguy cơ sạt lở.

  3. Xác định vị trí xây dựng công trình cách xa mép bờ sông ít nhất 7 lần kích thước móng để hạn chế ảnh hưởng đến ổn định mái dốc, đồng thời áp dụng các biện pháp gia cố nền đất tại khu vực gần bờ.

  4. Ứng dụng phương pháp ES-FEM kết hợp SOCP trong thiết kế và thẩm định công trình bờ kè, giúp đánh giá chính xác cơ cấu trượt và hệ số an toàn, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  5. Phát triển kỹ thuật tái tạo lưới tự động (mesh adaptivity) để tăng độ chính xác tính toán tại vùng có biến dạng lớn, đồng thời giảm chi phí tính toán.

  6. Nghiên cứu mở rộng mô hình cho nền đất không đồng nhất và ảnh hưởng thủy lực, kết hợp các yếu tố thủy văn, áp lực dòng chảy và khai thác cát để có giải pháp toàn diện chống sạt lở.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và bờ kè: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán chính xác hệ số ổn định mái dốc và cơ cấu trượt, hỗ trợ thiết kế công trình an toàn, bền vững.

  2. Chuyên gia địa kỹ thuật và khảo sát địa chất: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích giới hạn hiện đại, giúp đánh giá chính xác đặc điểm địa chất và nguy cơ sạt lở.

  3. Cơ quan quản lý và quy hoạch đô thị, xây dựng: Tham khảo để xây dựng quy định về khoảng cách xây dựng công trình so với mép bờ sông, giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, cơ học đất: Tài liệu tham khảo về phương pháp phần tử hữu hạn trơn, tối ưu nón bậc hai và ứng dụng trong phân tích giới hạn địa kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp ES-FEM khác gì so với FEM truyền thống?
    ES-FEM sử dụng miền làm trơn dựa trên cạnh để xấp xỉ trường biến dạng, giúp khử hiện tượng “locking” và tăng độ chính xác, trong khi FEM truyền thống sử dụng phần tử tam giác với trường biến dạng không làm trơn, dễ gây sai số và hội tụ chậm.

  2. Tại sao chọn mô hình Mohr-Coulomb cho phân tích?
    Mô hình Mohr-Coulomb phù hợp với đất nền có thoát nước, mô tả tốt ứng xử dẻo lý tưởng của đất, dễ dàng áp dụng trong phân tích giới hạn và thiết kế công trình địa kỹ thuật.

  3. Ảnh hưởng của góc mái dốc đến ổn định như thế nào?
    Góc mái dốc càng lớn thì hệ số ổn định càng giảm, tăng nguy cơ sạt lở. Góc mái dốc đứng (90 độ) có hệ số an toàn thấp nhất, cần thiết kế mái dốc với góc nghiêng phù hợp để đảm bảo an toàn.

  4. Khoảng cách xây dựng công trình so với mép bờ sông có quan trọng không?
    Rất quan trọng. Khi khoảng cách $L/B$ lớn hơn 7, móng công trình không ảnh hưởng đến ổn định mái dốc, giảm nguy cơ sạt lở và đảm bảo an toàn công trình.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn?
    Kết quả cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế mái dốc, xây dựng bờ kè, quy hoạch xây dựng công trình gần bờ sông, đồng thời đề xuất phương pháp tính toán hiện đại giúp các đơn vị thi công và quản lý đưa ra quyết định chính xác.

Kết luận

  • Phương pháp phân tích giới hạn sử dụng ES-FEM kết hợp SOCP đã được phát triển và áp dụng thành công cho bài toán ổn định mái dốc bờ sông Tiền, Đồng Tháp.
  • Hệ số ổn định mái dốc và cơ cấu trượt được xác định chính xác, cung cấp giá trị tham chiếu cho thiết kế và thẩm định công trình chống sạt lở.
  • Góc mái dốc và vị trí móng công trình ảnh hưởng rõ rệt đến độ ổn định, cần được xem xét kỹ trong thiết kế.
  • Phương pháp ES-FEM cho kết quả chính xác hơn FEM truyền thống, đồng thời giảm chi phí tính toán và khắc phục hiện tượng “locking”.
  • Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật và khuyến nghị nhằm nâng cao hiệu quả chống sạt lở, đồng thời mở hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo về nền đất không đồng nhất và ảnh hưởng thủy lực.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng phương pháp vào các khu vực khác trong Đồng bằng Sông Cửu Long, đồng thời phát triển mô hình tích hợp đa yếu tố để nâng cao độ tin cậy và khả năng dự báo sạt lở. Các đơn vị quản lý và thiết kế công trình được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để đảm bảo an toàn và bền vững cho các công trình ven sông.