Tổng quan nghiên cứu

Bán đảo Đồ Sơn giữ vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng trong tam giác kinh tế phía Bắc, sở hữu diện tích tự nhiên 4.248,07 ha cùng 22,5 km đường bờ biển tiếp giáp vịnh Bắc Bộ. Trong bối cảnh thành phố Hải Phòng đẩy mạnh chiến lược vươn ra biển với tầm nhìn dài hạn, hàng loạt công trình hạ tầng trọng điểm đang được đầu tư xây dựng như tuyến đường ống cấp nước và cáp điện ngầm vượt biển ra đảo Hòn Dáu, khu du lịch quốc tế Đồi Rồng và dự án cảng biển nước sâu Đồ Sơn. Tuy nhiên, điều kiện địa chất công trình tại vùng biển nông ven bờ cực kỳ phức tạp với sự hiện diện phổ biến của tầng bùn sét yếu Holocen dày từ 5 đến 15 m, gây ra hàng loạt sự cố sụt lún nghiêm trọng, trượt lở mái đê và xói lở bờ biển trong nhiều năm qua.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là làm sáng tỏ cấu trúc đặc điểm trầm tích Đệ tứ tại khu vực bán đảo Đồ Sơn thông qua phương pháp địa chấn nông phân giải cao kết hợp tài liệu khoan khảo sát địa kỹ thuật. Trên cơ sở đó, nghiên cứu xác lập mối tương quan giữa đặc trưng trường sóng địa chấn với các chỉ tiêu cơ lý đất nền, phục vụ việc đề xuất các giải pháp xử lý móng tối ưu cho công trình biển. Phạm vi nghiên cứu trải rộng trên tọa độ từ 20°43’ đến 20°45’ vĩ độ Bắc và 106°45’ đến 106°49’ kinh độ Đông, bao gồm toàn bộ dải đất liền ven bờ và phần biển nông đến độ sâu 10,0 m nước. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu từ 30% đến 40% chi phí khảo sát ngoài khơi, kiểm soát độ lún cố kết dài hạn và nâng cao tính bền vững cho toàn bộ hệ thống hạ tầng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp giữa lý thuyết địa chấn địa tầng kinh điển và mô hình địa tầng phân tập hiện đại. Trước hết, lý thuyết địa chấn địa tầng của Peter Vail, Badley và Veeken được ứng dụng để phân tích cấu trúc phản xạ âm học, hình thái pha đồng pha và các ranh giới bất chỉnh hợp nhằm phân chia mặt cắt thành các tập địa chấn đồng nhất về môi trường lắng đọng. Kết hợp với đó là khung lý thuyết địa tầng phân tập của Catuneanu và Myers, cho phép nhận diện sự dịch chuyển không gian của ba miền hệ thống trầm tích chính gắn liền với chu kỳ dao động mực nước biển: miền hệ thống biển thấp, miền hệ thống biển tiến và miền hệ thống biển cao giới hạn bởi bề mặt ngập lụt cực đại.

Về phân vị địa tầng khu vực, nghiên cứu áp dụng khung phân chia Đệ tứ vùng biển Việt Nam của Trần Nghi, phân định lịch sử phát triển Đệ tứ từ ranh giới 1,6 đến 1,8 triệu năm trước đến thời kỳ Holocen cách đây khoảng 10.000 năm thành năm chu kỳ trầm tích biển tiến thoái chính: Pleistocen sớm, Pleistocen giữa, Pleistocen muộn, Holocen sớm đến giữa và Holocen muộn. Nền móng địa chất cổ bên dưới được đối sánh với hệ tầng Đồ Sơn tuổi Devon muộn bao gồm ba phụ hệ tầng cát kết quarzit dạng khối rắn chắc. Đồng thời, nghiên cứu sử dụng thang phân loại thạch học trầm tích tam giác cát, bột, sét của Folk và Krumbein nhằm phân định chính xác các nhóm tướng thạch học đáy biển theo kích thước hạt trung bình và hệ số chọn lọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực địa được thu thập qua mạng lưới 6 tuyến đo địa chấn nông phản xạ phân giải cao với tổng chiều dài 120,5 km, sử dụng hệ thống thiết bị chuyên dụng GeoResources công suất nguồn phát xung 1000J dạng chấn tử Sparker và Boomer kết hợp ống thu streamer Geo-Sense và trạm thu tín hiệu Minitrace. Cỡ mẫu địa kỹ thuật trên bờ và bãi triều bao gồm 3 lỗ khoan địa chất công trình sâu, 50 mẫu phân tích thành phần độ hạt bằng phương pháp rây kết hợp ống hút pipet, 104 mẫu thí nghiệm xác định toàn diện các chỉ tiêu cơ lý đất trong phòng và 80 lần thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT ngoài hiện trường. Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc chọn mẫu phân tầng có chủ đích dọc theo các tuyến trắc dọc ven biển theo tiêu chuẩn TCVN 2683:2012 và TCVN 9351:2012, bảo đảm tính đại diện cao cho các đơn vị địa tầng.

Lý do lựa chọn phương pháp địa chấn nông phản giải cao xuất phát từ tính ưu việt trong việc tái hiện lát cắt địa chất liên tục 2D và 3D dưới đáy biển, khắc phục triệt để chi phí đắt đỏ và tính rời rạc của phương pháp khoan thăm dò đơn điểm ngoài khơi. Nghiên cứu áp dụng vận tốc sóng âm lan truyền chuẩn 1500 m/s trong môi trường nước biển và 1700 m/s trong tầng trầm tích Đệ tứ bở rời để chuyển đổi chính xác thang thời gian sang thang độ sâu thực tế. Đối với bài toán biến dạng nền, phương pháp tính lún phân tầng lấy tổng theo Braja M. Das kết hợp phương trình Sivaram và Swamee được lựa chọn để mô phỏng chính xác độ lún cố kết của các lớp phân tố theo thời gian dưới tải trọng công trình san lấp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả minh giải địa chấn và phân tích địa kỹ thuật đã làm sáng tỏ cấu trúc không gian và tính chất cơ lý của trầm tích Đệ tứ khu vực bán đảo Đồ Sơn với các phát hiện cốt lõi sau:

Thứ nhất, chiều sâu và bề dày tầng trầm tích Đệ tứ biến thiên rất phức tạp từ 29,5 m đến 78,0 m, có nơi đáy vượt quá 80,0 m. Trầm tích phát triển dày nhất về hai phía Đông Bắc khu vực cửa Lạch Tray và Tây Nam khu vực cửa Văn Úc, sau đó mỏng dần về phía trung tâm bán đảo Đồ Sơn và đảo Hòn Dáu, nơi đá gốc cát kết Devon nhô cao sát bề mặt đáy biển ở độ sâu chỉ từ 0 đến 5,0 m nước.

Thứ hai, nghiên cứu đã nhận diện và phân chia lát cắt địa chất thành 5 tập địa chấn ký hiệu từ U1 đến U5, tương ứng với 5 phân vị địa tầng Đệ tứ được giới hạn bởi các ranh giới phản xạ âm học từ Sb1 đến Sb5. Đáy tầng trầm tích Holocen nằm ở độ sâu 15 đến 25 m, thể hiện là một bề mặt bào mòn đào khoét biển tiến rất rõ nét trên các tuyến địa chấn số 10, 11 và 14.

Thứ ba, đặc trưng cơ lý giữa các tầng trầm tích có sự phân dị rõ rệt. Tầng Holocen muộn và Holocen sớm đến giữa có bề dày từ 5 đến 15 m, thành phần chủ yếu là bùn sét và sét pha màu xám xanh nguồn gốc đầm lầy vũng vịnh, có chỉ số dẻo lớn hơn 17%, độ sệt lớn hơn 1 ở trạng thái chảy hoặc dẻo chảy, sức kháng xuyên SPT cực thấp chỉ từ 1 đến 4 búa/30cm. Ngược lại, tầng trầm tích Pleistocen muộn và Pleistocen giữa phân bố sâu từ 20 đến 45 m gồm cát hạt trung đến hạt thô với hàm lượng cát chiếm từ 91,7% đến 96,1% (trung bình 94,6%), tỷ lệ sạn sỏi chiếm 2,2%, chỉ số SPT đạt từ 15 đến trên 30 búa/30cm, thuộc trạng thái chặt vừa đến rất chặt với sức chịu tải cao.

Thảo luận kết quả

Sự hình thành và phân bố bất đồng nhất của các tập trầm tích Đồ Sơn phản ánh sự tương tác phức tạp giữa hoạt động tân kiến tạo của hệ đứt gãy Đông Bắc - Tây Nam thuộc đới nâng Kiến An - Đồ Sơn với biên độ nâng từ 60 đến 120 m và các chu kỳ biến đổi mực nước biển toàn cầu. Tầng bùn sét yếu Holocen hình thành trong giai đoạn biển tiến cực đại, khi không gian tích tụ mở rộng trong điều kiện thủy động lực yên tĩnh của môi trường vịnh kín. Đây chính là nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng trượt lún nền đất tại các khu vực quai đê lấn biển thời gian qua.

Mối quan hệ địa kỹ thuật này có thể được trực quan hóa thông qua bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý và biểu đồ phân tích độ hạt Folk. Trên đồ thị phân bố tích lũy logarit, đường cong thành phần hạt của tầng cát Pleistocen có hệ số chọn lọc đạt từ 1,12 đến 1,58, phản ánh độ chọn lọc tốt của môi trường sông biển năng lượng cao. Ngược lại, đường cong nén lún cố kết thể hiện rõ hệ số rỗng ban đầu của tầng bùn sét Holocen lên tới 1,15 đến 1,45, sụt giảm mạnh xuống dưới 0,75 khi chịu áp lực gia tải từ 1,5 đến 2,0 kG/cm2. So sánh với các nghiên cứu trước đây tại vùng bờ Hải Phòng - Quảng Ninh vốn chỉ sử dụng tài liệu khoan thưa thớt, việc tích hợp 120,5 km tuyến địa chấn nông đã liên kết liên tục các dị thường địa chất ngầm, loại bỏ hoàn toàn các điểm mù dữ liệu giữa các lỗ khoan cách xa nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả nghiên cứu về trường sóng địa chấn và đặc trưng địa chất công trình, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm bảo đảm an toàn cho các công trình biển:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình khảo sát tiền khả thi bằng cách áp dụng phương pháp địa chấn nông phân giải cao mạng lưới tuyến đo 200m x 200m trước khi lập phương án khoan thăm dò. Chủ thể thực hiện là các ban quản lý dự án hàng hải và đơn vị tư vấn thiết kế; mục tiêu đặt ra là cắt giảm từ 30% đến 40% chi phí khoan ngoài khơi và rút ngắn 50% thời gian khảo sát hiện trường trong giai đoạn chuẩn bị đầu tư giai đoạn 2026 - 2027.

Thứ hai, xử lý triệt để tầng đất yếu Holocen dày 5 đến 15 m đối với các khu vực san lấp mặt bằng lấn biển như khu du lịch Đồi Rồng và hậu phương cảng biển bằng công nghệ cắm bấc thấm kết hợp hút chân không gia tải trước. Các nhà thầu thi công hạ tầng cần hoàn thành mục tiêu đạt độ cố kết nền trên 85% và khống chế độ lún dư dài hạn dưới 10 cm trong khung thời gian thi công từ 6 đến 9 tháng.

Thứ ba, áp dụng giải pháp móng cọc khoan nhồi hoặc cọc ống thép cắm sâu qua tầng bùn sét yếu để ngàm chắc chắn vào tầng cát sỏi chặt Pleistocen ở độ sâu từ 25 đến 40 m đối với các công trình chịu tải trọng lớn như cầu cảng nước sâu, trụ cầu vượt biển và mố neo tuyến ống ngầm dẫn nước ra đảo Hòn Dáu. Các kỹ sư kết cấu cần áp dụng tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 để bảo đảm sức chịu tải tính toán của nền đạt từ 2,5 đến 4,0 kG/cm2.

Thứ tư, thiết lập hệ thống quan trắc địa kỹ thuật tự động liên tục đo đạc biến dạng lún và áp lực nước lỗ rỗng dọc theo 22,5 km đê biển Đồ Sơn. Sở Xây dựng cùng Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Hải Phòng cần chủ trì tổ chức quan trắc định kỳ 3 tháng một lần trong suốt 24 tháng đầu vận hành nhằm chủ động phòng ngừa sự cố trượt lở mái dốc công trình thủy công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình thủy công ven biển. Tài liệu cung cấp 104 bộ chỉ tiêu cơ lý chuẩn xác và 80 kết quả thí nghiệm SPT thực tế, giúp các kỹ sư tính toán chính xác sức chịu tải của cọc và lựa chọn chiều sâu ngàm móng tối ưu từ 25 đến 40 m cho các công trình cảng biển và tuyến ống ngầm.

Nhóm thứ hai là các nhà khoa học, chuyên gia khảo sát địa vật lý biển tại các viện nghiên cứu. Luận văn cung cấp quy trình mẫu về việc minh giải trường sóng địa chấn phản xạ phân giải cao với vận tốc chuẩn 1700 m/s, kết nối hiệu quả giữa tài liệu địa vật lý 120,5 km tuyến đo với địa tầng lỗ khoan thực tế tại đới biển nông từ 0 đến 10,0 m nước.

Nhóm thứ ba là các chủ đầu tư, ban quản lý dự án khu đô thị và khu công nghiệp ven biển Hải Phòng. Dữ liệu luận văn giúp chủ đầu tư đánh giá chính xác mức độ lún của tầng bùn sét dày 5 đến 15 m, từ đó tối ưu hóa từ 15% đến 25% ngân sách xử lý nền móng và kiểm soát tiến độ san lấp lấn biển.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Địa chất học, Kỹ thuật Địa chất và Địa kỹ thuật Xây dựng. Đây là tài liệu tham khảo chất lượng cao về phương pháp luận địa tầng phân tập, minh giải 5 tập địa chấn Đệ tứ và ứng dụng mô hình tính lún phân tầng theo tiêu chuẩn xây dựng hiện hành.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp địa chấn nông phân giải cao có thể thay thế hoàn toàn công tác khoan thăm dò trên biển không?

Phương pháp địa chấn nông phân giải cao không thay thế 100% việc khoan nhưng giúp giảm thiểu tối đa số lượng lỗ khoan đắt đỏ ngoài khơi. Thông qua 120,5 km tuyến đo kết hợp với 3 lỗ khoan chuẩn định danh, phương pháp này liên kết liên tục các ranh giới địa tầng ở độ sâu từ 10 đến 80 m, giúp tiết kiệm khoảng 35% tổng chi phí khảo sát mà vẫn bảo đảm độ tin cậy cơ lý cao.

Tầng bùn sét yếu Holocen tại vùng biển Đồ Sơn có chiều dày bao nhiêu và gây nguy cơ gì cho công trình?

Tầng bùn sét Holocen phân bố rộng khắp với bề dày phổ biến từ 5 đến 15 m, có chỉ số dẻo lớn hơn 17% và độ sệt vượt quá 1 ở trạng thái chảy. Nếu không được xử lý kỹ thuật trước khi xây dựng, lớp đất yếu này sẽ gây lún cố kết lệch kéo dài từ 40 đến 80 cm và dẫn đến nguy cơ trượt trượt phá hủy kết cấu đê kè ven biển.

Tầng chịu lực lý tưởng cho móng cọc các công trình biển Đồ Sơn nằm ở độ sâu nào?

Tầng chịu lực lý tưởng nhất là các lớp cát hạt trung đến hạt thô thuộc Pleistocen muộn và Pleistocen giữa nằm ở độ sâu từ 25 đến 40 m. Tầng này có hàm lượng hạt cát trung bình đạt 94,6%, chỉ số xuyên tiêu chuẩn SPT từ 15 đến trên 30 búa/30cm, mang lại sức chịu tải quy ước đạt từ 2,5 đến 3,5 kG/cm2.

Vận tốc sóng âm nào được sử dụng để chuyển đổi từ thang thời gian sang độ sâu địa chất trong nghiên cứu?

Nghiên cứu áp dụng vận tốc sóng âm tiêu chuẩn 1500 m/s đối với môi trường nước biển ven bờ và 1700 m/s đối với môi trường trầm tích Đệ tứ bở rời. Các thông số vận tốc này bảo đảm sự khớp nối chính xác giữa các bề mặt ranh giới địa chấn Sb1 đến Sb5 với chiều sâu địa tầng thực tế xác định từ giếng khoan.

Mô hình tính toán nào được sử dụng để dự báo độ lún của nền đất san lấp ven biển?

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tầng lấy tổng theo Braja M. Das kết hợp công thức Sivaram và Swamee để tính toán độ lún cố kết theo thời gian. Mô hình này cho phép dự báo chính xác tiến trình lún đạt 85% trong khoảng thời gian từ 6 đến 12 tháng khi áp dụng giải pháp bấc thấm thoát nước thẳng đứng.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và mang lại những đóng góp khoa học nổi bật cho ngành địa chất công trình biển:

  • Minh giải thành công 120,5 km mặt cắt địa chấn nông phân giải cao, xác lập bức tranh toàn diện về chiều dày trầm tích Đệ tứ dao động từ 29,5 m đến 78,0 m tại bán đảo Đồ Sơn.
  • Phân chia chi tiết lát cắt địa chất thành 5 tập địa chấn U1 đến U5 tương ứng với các chu kỳ biển tiến thoái từ Pleistocen sớm đến Holocen muộn dựa trên khung địa tầng phân tập hiện đại.
  • Xác định rõ vị trí và tính chất của tầng bùn sét yếu Holocen dày 5 đến 15 m (SPT dưới 4 búa) cùng tầng cát sỏi chịu lực Pleistocen ở độ sâu 25 đến 40 m (SPT trên 15 đến 30 búa).
  • Đề xuất hệ thống giải pháp xử lý nền đất yếu đồng bộ gồm bấc thấm hút chân không và móng cọc cắm sâu phục vụ quy hoạch các dự án lấn biển giai đoạn 2026 - 2030.
  • Cung cấp cơ sở dữ liệu địa kỹ thuật giá trị phục vụ thiết kế xây dựng công trình cảng biển và hạ tầng ngầm vượt biển theo tiêu chuẩn TCVN 9351:2012 và TCVN 9362:2012.

Công trình là bước đột phá trong việc kết hợp công nghệ địa chấn nông phân giải cao với khảo sát địa kỹ thuật truyền thống tại khu vực duyên hải Bắc Bộ. Các chủ đầu tư và đơn vị tư vấn thiết kế hãy áp dụng ngay quy trình khảo sát địa chấn nông tích hợp để tối ưu hóa ngân sách và kiến tạo những công trình biển bền vững cho tương lai.