Tổng quan nghiên cứu

Sạt lở mái dốc là một hiện tượng thiên tai nguy hiểm, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển kinh tế - xã hội. Tại Việt Nam, từ năm 2000 đến 2014 đã xảy ra khoảng 250 đợt lũ quét và sạt lở đất, làm chết và mất tích 646 người, gần 351 người bị thương, hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi và hơn 100.000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng. Các tỉnh miền núi phía Bắc, miền Trung, Tây Nguyên và duyên hải là những khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề. Nguyên nhân chủ yếu là do mưa lớn kéo dài làm tăng trọng lượng và áp lực nước trong mái dốc, giảm cường độ kháng cắt của đất, dẫn đến nguy cơ sạt trượt.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế ổn định mái dốc bằng cọc nhằm giải quyết các vấn đề về an toàn và kinh tế trong điều kiện không thể áp dụng các biện pháp gia cố truyền thống như tăng hệ số mái dốc hay xây tường chắn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các hiện tượng sạt lở, tổng hợp các giải pháp gia cố mái dốc, phát triển cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích ổn định mái dốc gia cố bằng cọc, đồng thời áp dụng tính toán cho công trình cụ thể tại hồ chứa nước Nà Lái, huyện Quảng Uyên, tỉnh Cao Bằng.

Mục tiêu chính là xác định ảnh hưởng của cường độ và thời gian mưa đến hệ số an toàn mái dốc, đề xuất trình tự thiết kế hệ cọc tối ưu về chiều sâu, mật độ và vị trí đóng cọc, từ đó nâng cao độ ổn định mái dốc, giảm thiểu rủi ro sạt lở và tiết kiệm chi phí xây dựng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn công trình thủy lợi, giao thông và xây dựng tại các vùng địa hình phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai quan điểm chính về hệ số an toàn mái dốc: hệ số an toàn chung và hệ số huy động cường độ chống cắt của đất. Hệ số an toàn chung được định nghĩa là tỷ số giữa tổng mômen chống trượt và tổng mômen gây trượt trên mặt trượt, được tính theo phương pháp Fellenius và mở rộng theo trạng thái giới hạn với các hệ số tin cậy theo tiêu chuẩn QCVN 04-05:2010. Quan điểm thứ hai sử dụng hệ số huy động cường độ chống cắt của đất làm hệ số an toàn, phản ánh mức độ huy động khả năng chống cắt của đất trên diện tích đơn vị, dựa trên định luật Coulomb.

Phương pháp phân tích ổn định mái dốc chủ yếu sử dụng lý thuyết phân thỏi, trong đó khối đất trượt được chia thành các thỏi đứng, mỗi thỏi chịu các lực trọng lượng, lực tương tác ngang và đứng với các thỏi kế cận, lực pháp tuyến và lực cắt tại mặt trượt. Hệ phương trình cân bằng tĩnh lực học được thiết lập cho từng thỏi, đồng thời áp dụng điều kiện bền Mohr-Coulomb cho mặt trượt. Các phương pháp tính hệ số an toàn phổ biến gồm Fellenius, Bishop đơn giản, Terzaghi, Spencer và Morgenstern-Price, mỗi phương pháp có giả thiết khác nhau về lực tương tác giữa các thỏi.

Đặc biệt, luận văn phát triển cơ sở lý thuyết cho phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc dựa trên lý thuyết đàn hồi và biến dạng dẻo của đất quanh cọc. Lực ngang tác dụng lên cọc được tính toán theo công thức của Ito và Matsui, phụ thuộc vào đường kính cọc, khoảng cách giữa các cọc, chiều sâu và tính chất đất. Hệ số an toàn mái dốc gia cố được xác định bằng cách kết hợp lực kháng của đất và lực phản lực của cọc trong mô hình mặt trượt cung tròn ma sát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm số liệu địa hình, địa chất, các chỉ tiêu thí nghiệm đất đá và dữ liệu khí tượng phục vụ tính toán áp lực thấm và ổn định mái dốc. Phương pháp nghiên cứu kết hợp khảo sát thực tế, tổng hợp tài liệu trong và ngoài nước, phân tích lý thuyết và mô hình hóa bằng phần mềm GEOSTUDIO 2007.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một công trình cụ thể: mái đào hố móng tràn xả lũ hồ chứa nước Nà Lái, huyện Quảng Uyên, tỉnh Cao Bằng. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn công trình điển hình có điều kiện địa hình và địa chất đại diện cho vùng miền núi phía Bắc Việt Nam.

Phân tích ổn định mái dốc được thực hiện qua các tổ hợp tính toán với cường độ mưa khác nhau (100-200 mm/ngày-đêm) và thời gian mưa kéo dài (từ 6 đến 72 giờ). Phương pháp phân tích sử dụng lý thuyết phân thỏi kết hợp với mô hình biến dạng đàn hồi quanh cọc để xác định lực ngang tác dụng lên cọc và hệ số an toàn mái dốc. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn, bao gồm khảo sát, thu thập dữ liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của cường độ và thời gian mưa đến hệ số an toàn mái dốc: Kết quả tính toán cho thấy khi cường độ mưa đạt 150 mm/ngày-đêm và thời gian mưa kéo dài từ 6 đến 36 giờ, hệ số ổn định mái dốc giảm từ 1.08 xuống còn khoảng 0.85, cho thấy nguy cơ sạt trượt tăng cao. Khi thời gian mưa vượt quá 48 giờ, hệ số an toàn tiếp tục giảm, tiệm cận mức nguy hiểm.

  2. Tác động của vị trí và khoảng cách cọc đến hệ số an toàn: Việc bố trí hàng cọc gần đỉnh mái dốc (cách chân mái khoảng 9-13 m) giúp tăng hệ số an toàn lên đến 1.82, cao hơn 69% so với mái dốc không gia cố. Khoảng cách giữa các cọc tối ưu là 3-6 m, khi đó lực phản lực của cọc được huy động tối đa, đảm bảo ổn định lâu dài.

  3. Ảnh hưởng chiều sâu cọc: Chiều sâu cọc từ 2 đến 3,5 m được xác định là phù hợp để gia cố mái dốc, giúp tăng hệ số an toàn lên trên 1.5. Chiều sâu cọc quá nhỏ hoặc quá lớn đều làm giảm hiệu quả gia cố do không tận dụng được lực phản lực hoặc gây lãng phí vật liệu.

  4. Hiệu quả của phương pháp gia cố bằng cọc so với các giải pháp khác: So với phương pháp tăng hệ số mái dốc hoặc gia cố mặt ngoài bằng bê tông, gia cố bằng cọc có ưu điểm thi công đơn giản, giữ nguyên hiện trạng mái dốc, tiết kiệm chi phí và thời gian thi công, đồng thời đảm bảo ổn định lâu dài.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến hệ số an toàn mái dốc giảm là do áp lực nước lỗ rỗng tăng lên khi mưa kéo dài, làm giảm lực dính và góc ma sát của đất. Kết quả mô phỏng áp lực thấm và hệ số ổn định qua các biểu đồ cho thấy rõ sự tương quan giữa thời gian mưa và độ ổn định mái dốc. Việc bố trí cọc gần đỉnh mái dốc tận dụng được lực phản lực lớn nhất, đồng thời giảm chiều dài cọc cần thiết, phù hợp với điều kiện thi công thực tế.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả luận văn phù hợp với các mô hình lý thuyết về biến dạng đàn hồi quanh cọc và phương pháp phân thỏi. Việc áp dụng phần mềm GEOSTUDIO 2007 giúp mô phỏng chính xác áp lực thấm và phân tích ổn định, hỗ trợ thiết kế tối ưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp một phương pháp thiết kế mái dốc gia cố bằng cọc có tính ứng dụng cao, giúp các kỹ sư xây dựng và quản lý công trình có công cụ hiệu quả để phòng chống sạt lở, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế hệ cọc gia cố mái dốc với khoảng cách 3-6 m và chiều sâu 2-3,5 m: Động từ hành động là "thiết kế" nhằm tối ưu hóa lực phản lực cọc, tăng hệ số an toàn lên trên 1.5 trong vòng 6 tháng sau khi bắt đầu thi công. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng.

  2. Ưu tiên bố trí cọc gần đỉnh mái dốc: Khuyến nghị "bố trí" cọc cách chân mái từ 9 đến 13 m để tận dụng lực phản lực tối đa, giảm nguy cơ sạt trượt trong vòng 3 tháng đầu vận hành công trình. Chủ thể là chủ đầu tư và kỹ sư giám sát.

  3. Áp dụng phần mềm mô phỏng áp lực thấm và phân tích ổn định: Khuyến khích "ứng dụng" phần mềm chuyên dụng như GEOSTUDIO 2007 để đánh giá chính xác ảnh hưởng của mưa và thiết kế gia cố, cập nhật định kỳ hàng năm. Chủ thể là các phòng kỹ thuật và nghiên cứu.

  4. Tăng cường công tác giám sát và bảo trì mái dốc sau thi công: Đề xuất "thực hiện" kiểm tra định kỳ áp lực nước và biến dạng mái dốc, đặc biệt sau các đợt mưa lớn, nhằm phát hiện sớm nguy cơ mất ổn định trong vòng 1-2 năm đầu. Chủ thể là ban quản lý công trình và đơn vị vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và giao thông: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế mái dốc gia cố bằng cọc phù hợp với điều kiện địa hình phức tạp, giúp tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn công trình.

  2. Chuyên gia quản lý rủi ro thiên tai và phòng chống sạt lở: Nghiên cứu cung cấp số liệu và mô hình phân tích ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc, hỗ trợ xây dựng kế hoạch phòng chống thiên tai hiệu quả.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết phân thỏi, phương pháp phân tích ổn định và ứng dụng thực tế trong thiết kế gia cố mái dốc.

  4. Chủ đầu tư và nhà thầu thi công: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn giải pháp gia cố mái dốc phù hợp, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh trong quá trình thi công và vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc có ưu điểm gì so với các giải pháp khác?
    Gia cố bằng cọc đơn giản trong thi công, giữ nguyên hiện trạng mái dốc, tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời tăng hệ số an toàn hiệu quả, đặc biệt phù hợp với các khu vực không thể mở rộng mặt bằng.

  2. Ảnh hưởng của mưa đến ổn định mái dốc như thế nào?
    Mưa làm tăng trọng lượng và áp lực nước trong đất, giảm lực dính và góc ma sát, từ đó giảm hệ số an toàn mái dốc. Thời gian và cường độ mưa càng lớn thì nguy cơ sạt trượt càng cao.

  3. Làm thế nào để xác định khoảng cách và chiều sâu cọc tối ưu?
    Dựa trên mô hình biến dạng đàn hồi quanh cọc và phân tích lực ngang tác dụng, khoảng cách 3-6 m và chiều sâu 2-3,5 m được xác định là tối ưu để tận dụng lực phản lực và đảm bảo ổn định.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để phân tích ổn định mái dốc?
    Phần mềm GEOSTUDIO 2007 được sử dụng để mô phỏng áp lực thấm và phân tích ổn định mái dốc, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và thiết kế gia cố.

  5. Có thể áp dụng phương pháp này cho các công trình khác không?
    Phương pháp có thể áp dụng cho nhiều loại công trình có mái dốc tự nhiên hoặc nhân tạo như thủy lợi, giao thông, xây dựng dân dụng, đặc biệt ở các vùng địa hình phức tạp và điều kiện thi công hạn chế.

Kết luận

  • Sạt lở mái dốc là vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng lớn đến an toàn và phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt dưới tác động của mưa lớn kéo dài.
  • Phương pháp gia cố mái dốc bằng cọc dựa trên lý thuyết phân thỏi và biến dạng đàn hồi của đất quanh cọc giúp tăng hệ số an toàn hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đơn giản thi công.
  • Kết quả nghiên cứu xác định khoảng cách cọc 3-6 m, chiều sâu 2-3,5 m và vị trí gần đỉnh mái dốc là tối ưu để gia cố mái dốc.
  • Ứng dụng phần mềm mô phỏng GEOSTUDIO 2007 hỗ trợ đánh giá chính xác áp lực thấm và ổn định mái dốc trong các điều kiện mưa khác nhau.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế, bố trí cọc và giám sát sau thi công nhằm đảm bảo an toàn lâu dài cho công trình.

Tiếp theo, các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả phòng chống sạt lở mái dốc, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng và cải tiến phương pháp thiết kế. Để biết thêm chi tiết và tư vấn thiết kế, quý độc giả vui lòng liên hệ với các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi và địa kỹ thuật.