Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến an toàn hệ thống đê điều tại các vùng đồng bằng sông Hồng, đặc biệt là tỉnh Hải Dương. Theo báo cáo, hệ thống đê điều Việt Nam có tổng chiều dài khoảng 13.200 km, trong đó đê sông chiếm khoảng 10.600 km. Tình trạng đùn sủi xảy ra phổ biến tại nhiều đoạn đê trọng điểm, gây ra các sự cố như bục tầng phủ, xói ngầm, sụt lún nền đê, đe dọa trực tiếp đến an toàn tính mạng và tài sản của người dân. Mức độ nghiêm trọng của hiện tượng này được minh chứng qua các sự cố tại Thái Bình, Bắc Ninh, Hà Nam và Hải Dương, với kích thước mạch sủi trung bình từ 10 đến 20 cm và lưu lượng nước mang theo hàng chục đến hàng trăm mét khối cát mỗi ngày.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích, tính toán hiện tượng mạch đùn, mạch sủi và đề xuất các giải pháp xử lý hiệu quả, áp dụng thực tế cho đoạn đê từ K14+600 đến K15+500, đê hữu sông Kinh Thầy, huyện Nam Sách, tỉnh Hải Dương. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá đặc điểm địa chất nền đê, mô hình dòng thấm dưới nền đê, kiểm tra hiện trạng và lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp nhằm giảm áp lực thấm, ngăn ngừa sự phát triển của mạch đùn, mạch sủi. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực địa, thu thập số liệu từ các dự án xây dựng đê, mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng và thực nghiệm tại hiện trường.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện rõ qua việc nâng cao hiệu quả quản lý, bảo vệ đê điều, giảm thiểu rủi ro vỡ đê trong mùa mưa lũ, góp phần bảo vệ sản xuất nông nghiệp và đời sống dân cư vùng ven sông. Các chỉ số an toàn đê như hệ số ổn định, gradient áp lực thấm được cải thiện rõ rệt khi áp dụng các giải pháp đề xuất, giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ công trình đê điều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về dòng thấm trong môi trường đất bão hòa nước, bao gồm:

  • Định luật Darcy: Mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa lưu lượng thấm và gradient thủy lực, là cơ sở để tính toán vận tốc và lưu lượng dòng thấm qua nền đê.

  • Phương trình Laplace cho dòng thấm ổn định: Phương trình vi phân mô tả sự phân bố cột nước và gradient thấm trong môi trường đất hai chiều, được sử dụng để giải bài toán thấm phẳng dưới nền đê.

  • Mô hình biến dạng thấm nền đê: Phân tích các giai đoạn phát triển biến dạng thấm gồm phá vỡ tầng phủ, mở rộng lỗ thoát và phát triển mạch đùn, mạch sủi. Các khái niệm chính bao gồm gradient giới hạn gây bục đất (I_gh), gradient đẩy nổi (I_đn), và hệ số chống bục đất (K).

  • Mô hình phần tử hữu hạn (FEM): Ứng dụng trong phần mềm SEEP/W để mô phỏng dòng thấm không đồng nhất, phức tạp với điều kiện biên thực tế, cho phép tính toán chính xác áp lực thấm và phân bố gradient tại các vị trí trọng điểm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất nền đê, hiện trạng mạch đùn, mạch sủi từ các dự án xây dựng và quan trắc thực địa tại đoạn đê K14+600 - K15+500, huyện Nam Sách, tỉnh Hải Dương. Sử dụng báo cáo đánh giá hiện trạng đê điều tỉnh Hải Dương năm 2014 và các tài liệu nghiên cứu trong nước.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phương pháp giải tích, mô hình toán học và mô phỏng số bằng phần mềm SEEP/W để tính toán áp lực thấm, gradient và đánh giá khả năng phát triển mạch đùn, mạch sủi. So sánh kết quả mô phỏng với quan trắc thực tế để hiệu chỉnh mô hình.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn 1: Khảo sát thực địa, thu thập số liệu (3 tháng).
    • Giai đoạn 2: Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình toán (2 tháng).
    • Giai đoạn 3: Mô phỏng và phân tích kết quả (3 tháng).
    • Giai đoạn 4: Đề xuất giải pháp và áp dụng thực tế (2 tháng).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu đất nền đê tại các vị trí trọng điểm có hiện tượng mạch đùn, mạch sủi để phân tích cơ lý và thấm. Mẫu được chọn đại diện cho các đặc điểm địa chất khác nhau trong khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất nền đê: Tầng chứa nước (cát) có chiều dày lớn từ 2 đến 4 m, tầng phủ đất thịt phía trên mỏng và có độ bền cơ học thấp, đặc biệt tại các vùng thùng trũng, ao hồ. Tại đoạn đê nghiên cứu, chiều dày tầng phủ dao động từ 0,5 đến 1,5 m, tạo điều kiện thuận lợi cho hiện tượng mạch đùn, mạch sủi phát triển.

  2. Phân bố và kích thước mạch sủi: Mạch sủi xuất hiện tập trung gần chân đê hạ lưu, cách chân đê từ 0 đến 20 m, với kích thước miệng thoát trung bình 10-20 cm. Lưu lượng nước thoát ra có thể lên đến hàng chục mét khối mỗi ngày, mang theo cát hạt nhỏ và bụi, làm rỗng nền đê.

  3. Kết quả mô phỏng áp lực thấm: Khi mực nước sông đạt +8,2 m, áp lực thấm tại mặt dưới tầng phủ vượt ngưỡng giới hạn, gây nguy cơ bục đất và phát triển mạch đùn. Giải pháp giếng giảm áp làm giảm áp lực thấm từ 15% đến 30% so với hiện trạng, trong khi giải pháp tường hào Bentonite không hiệu quả do hiện tượng thấm không gian quanh tường.

  4. Hiệu quả các giải pháp xử lý: Đắp sân phủ chống thấm và khối phản áp tiêu nước giúp giảm gradient áp lực thấm xuống dưới mức an toàn (I_tt ≤ I_cp), tăng cường áp lực hữu hiệu cho lớp phủ, ổn định nền đê. Hệ thống giếng giảm áp tại chân đê phía đồng giảm áp lực thấm hiệu quả, giảm nguy cơ phát triển mạch đùn, mạch sủi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng mạch đùn, mạch sủi là do áp lực nước ngầm tăng cao trong mùa lũ, vượt quá khả năng chịu đựng của tầng phủ đất thịt mỏng manh phía trên tầng cát. Kết quả mô phỏng cho thấy áp lực thấm tại các vị trí trọng điểm có thể vượt ngưỡng giới hạn gây bục đất, phù hợp với quan sát thực tế về sự xuất hiện mạch sủi tại các đoạn đê.

So sánh với các nghiên cứu trong nước, kết quả tương đồng với luận án tiến sĩ về biến dạng thấm nền đê Hữu Hồng và nghiên cứu tại Thái Bình, Hà Nam, cho thấy tính phổ quát của hiện tượng và hiệu quả của các giải pháp giảm áp lực thấm như giếng giảm áp và đắp sân phủ. Việc sử dụng phần mềm SEEP/W giúp mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thực tế phức tạp, hỗ trợ lựa chọn giải pháp tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố gradient áp lực thấm tại các mặt cắt đê, bảng tổng hợp so sánh áp lực thấm trước và sau xử lý, cũng như bản đồ phân vùng nguy cơ mạch đùn, mạch sủi theo đặc điểm địa chất nền đê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường công tác tuần tra, kiểm tra đê thường xuyên: Đặc biệt trong mùa mưa bão, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu mạch đùn, mạch sủi để xử lý kịp thời. Trang bị đầy đủ dụng cụ đo đạc và đào tạo cán bộ tuần tra chuyên nghiệp. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm; chủ thể: Ban quản lý đê điều địa phương.

  2. Xây dựng hệ thống giếng giảm áp tại các vị trí trọng điểm: Giảm áp lực thấm nền đê, ngăn ngừa phát triển mạch đùn, mạch sủi. Khoảng cách giếng giảm áp nên được thiết kế phù hợp (khoảng 30-60 m). Thời gian thực hiện: trước mùa lũ; chủ thể: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, đơn vị thi công.

  3. Đắp sân phủ chống thấm và khối phản áp tiêu nước: Ứng dụng tại các đoạn đê có tầng phủ mỏng, yếu để kéo dài đường viền thấm và tăng cường áp lực hữu hiệu. Chiều rộng sân phủ từ 20-25 m, chiều cao 0,5-1 m. Thời gian thực hiện: trước mùa mưa lũ; chủ thể: Ban quản lý đê điều, chính quyền địa phương.

  4. Sử dụng vật liệu lọc và vải địa kỹ thuật (Geotextile): Áp dụng trong xử lý bãi sủi, mạch sủi tập đoàn nhằm ngăn chặn xói trôi đất, cát hiệu quả và nhanh chóng. Thời gian thực hiện: khi phát hiện sự cố; chủ thể: Đội xử lý sự cố đê điều.

  5. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho cán bộ quản lý và người dân ven đê: Tổ chức tập huấn kỹ thuật phát hiện và xử lý mạch đùn, mạch sủi ngay từ giờ đầu, giảm thiểu thiệt hại. Thời gian thực hiện: hàng năm; chủ thể: Sở Nông nghiệp, UBND các xã ven đê.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Nghiên cứu giúp nâng cao hiệu quả công tác tuần tra, kiểm tra và xử lý sự cố mạch đùn, mạch sủi, từ đó đảm bảo an toàn đê điều trong mùa mưa lũ.

  2. Kỹ sư, chuyên gia xây dựng công trình thủy lợi: Áp dụng các mô hình tính toán, phương pháp phân tích và giải pháp xử lý nền đê phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, nâng cao chất lượng công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết dòng thấm, mô hình biến dạng thấm nền đê và ứng dụng phần mềm mô phỏng SEEP/W trong nghiên cứu thực tế.

  4. Chính quyền địa phương và cộng đồng dân cư ven đê: Hiểu rõ nguyên nhân, tác hại và biện pháp phòng tránh hiện tượng mạch đùn, mạch sủi, từ đó phối hợp hiệu quả trong công tác bảo vệ đê điều và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Mạch đùn, mạch sủi là hiện tượng nước ngầm có áp lực lớn đẩy các hạt cát, đất nhỏ lên bề mặt, gây rỗng nền đê và có thể dẫn đến vỡ đê. Đây là nguyên nhân chính gây mất ổn định nền đê trong mùa lũ, đe dọa an toàn công trình và dân cư.

  2. Làm thế nào để phát hiện sớm hiện tượng mạch đùn, mạch sủi?
    Thông qua công tác tuần tra, kiểm tra đê thường xuyên, quan sát các dấu hiệu như lỗ sủi nước, sụt lún mặt đê, xuất hiện các vết nứt hoặc nước chảy bất thường. Sử dụng thiết bị đo gradient áp lực thấm cũng giúp phát hiện sớm nguy cơ.

  3. Giếng giảm áp hoạt động như thế nào trong việc xử lý mạch đùn, mạch sủi?
    Giếng giảm áp được khoan tại chân đê phía đồng để thoát nước ngầm tự chảy, giảm áp lực thấm dưới nền đê, từ đó ngăn ngừa sự phát triển của mạch đùn, mạch sủi và tăng cường ổn định nền đê.

  4. Tại sao giải pháp tường hào Bentonite không hiệu quả trong xử lý hiện tượng này?
    Mô phỏng cho thấy tường hào Bentonite tạo ra hiện tượng thấm không gian quanh tường, làm tăng áp lực thấm tại một số vị trí, không giảm được áp lực thấm tổng thể, do đó không phù hợp với điều kiện địa chất nền đê phức tạp.

  5. Các biện pháp xử lý khẩn cấp khi phát hiện mạch đùn, mạch sủi là gì?
    Có thể sử dụng phên tre, mành tre quây lỗ sủi, đắp bao tải cát, đá dăm để giảm tốc độ nước lên, bắc máng dẫn nước ra xa, hoặc đắp đập dâng nước hạ lưu cống để giảm áp lực thấm. Các biện pháp này giúp kiểm soát sự cố ngay từ giờ đầu.

Kết luận

  • Hiện tượng mạch đùn, mạch sủi là nguyên nhân chính gây mất ổn định và nguy cơ vỡ đê tại các vùng đồng bằng sông Hồng, đặc biệt tại tỉnh Hải Dương.
  • Áp lực thấm vượt ngưỡng giới hạn tại các vị trí nền đê mỏng yếu làm phát triển mạch đùn, mạch sủi với lưu lượng nước và cát lớn, gây rỗng nền đê.
  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm SEEP/W cho kết quả chính xác, hỗ trợ đánh giá nguy cơ và lựa chọn giải pháp xử lý hiệu quả.
  • Giếng giảm áp, đắp sân phủ chống thấm và khối phản áp tiêu nước là các giải pháp ưu việt giúp giảm áp lực thấm, tăng cường ổn định nền đê.
  • Cần tăng cường công tác tuần tra, kiểm tra, đào tạo kỹ thuật và phối hợp chặt chẽ giữa các đơn vị quản lý để phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố mạch đùn, mạch sủi.

Next steps: Triển khai xây dựng hệ thống giếng giảm áp tại các vị trí trọng điểm, áp dụng đồng bộ các giải pháp xử lý nền đê trước mùa lũ, đồng thời nâng cao năng lực quản lý và giám sát đê điều.

Call to action: Các cơ quan quản lý đê điều và chuyên gia kỹ thuật cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, đảm bảo an toàn đê điều và bảo vệ cộng đồng dân cư vùng ven sông trong mùa mưa bão sắp tới.