Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng kinh tế trọng điểm của Việt Nam, chiếm khoảng 12,2% diện tích tự nhiên cả nước với hơn 39.700 km², đóng vai trò quan trọng trong sản xuất lúa gạo và xuất khẩu thủy sản. Hệ thống công trình thủy lợi, đặc biệt là các cống ngăn mặn, giữ ngọt, được xây dựng nhằm phục vụ sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản, góp phần bảo vệ nguồn nước ngọt và hạn chế xâm nhập mặn. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, do biến đổi khí hậu, hạn hán kéo dài và sự thay đổi chế độ thủy văn do các công trình thủy điện trên dòng sông Mê Công, các công trình này đã phải đối mặt với sự cố thấm, xói ngầm nền và mang cống, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả hoạt động và đời sống người dân.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất và ứng dụng giải pháp xử lý sự cố thấm bằng cọc xi măng đất (XMD) kết hợp phụ gia cho các công trình cống ngăn mặn, giữ ngọt tại ĐBSCL, với trọng tâm là công trình cống Đá Bạc, tỉnh Cà Mau. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát đặc điểm địa chất, thủy văn, thí nghiệm vật liệu và mô phỏng tính toán nhằm đảm bảo hiệu quả chống thấm, bền vững và phù hợp với điều kiện thực tế vùng đất yếu, môi trường mặn và chênh lệch mực nước cao giữa thượng lưu và hạ lưu. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực địa, thí nghiệm trong phòng và ứng dụng thực tế tại công trình trong giai đoạn 2015-2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành các công trình thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do xâm nhập mặn, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho vùng ĐBSCL.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết vật liệu xi măng đất (XMD): Quá trình thủy hóa xi măng trong đất tạo ra các sản phẩm như Ca(OH)₂, 3CaO·SiO₂, giúp kết dính các hạt đất, tăng cường cường độ và giảm hệ số thấm. Quá trình này gồm ba giai đoạn: hòa tan, hóa keo và kết tinh, tạo thành vật liệu chống thấm hiệu quả.

  • Mô hình tường chống thấm bằng cọc XMD: Các cọc XMD được thi công theo công nghệ Jet Grouting (JG), tạo thành tường chống thấm liên tục bằng cách bố trí các cọc giao nhau với khoảng cách phù hợp, đảm bảo độ kín khít và khả năng chống thấm trong điều kiện chênh lệch mực nước cao.

  • Khái niệm hệ số thấm (k): Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá khả năng chống thấm của vật liệu XMD, với giá trị k có thể đạt đến 10⁻⁸ cm/s trong đất cát và 10⁻¹⁰ cm/s trong đất sét pha.

  • Ảnh hưởng của môi trường: Hàm lượng hữu cơ, pH, muối khoáng và thành phần hạt đất ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu quả của vật liệu XMD.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về công nghệ Jet Grouting, địa chất, thủy văn khu vực ĐBSCL và công trình cống Đá Bạc; số liệu khảo sát thực địa; kết quả thí nghiệm vật liệu và mô phỏng tính toán.

  • Phương pháp phân tích:

    • Khảo sát địa chất, thủy văn, lấy mẫu đất và nước tại hiện trường để xác định các chỉ tiêu cơ lý, hóa học như hàm lượng hữu cơ, pH, độ mặn.

    • Thí nghiệm trộn mẫu XMD kết hợp phụ gia trong phòng thí nghiệm để xác định hàm lượng xi măng tối ưu, hệ số thấm và cường độ kháng nén.

    • Thi công cọc XMD thử nghiệm tại hiện trường, lấy mẫu lõi để kiểm tra chất lượng vật liệu.

    • Mô phỏng tính toán bằng phần mềm chuyên dụng để thiết kế bố trí tường chống thấm, đánh giá hiệu quả xử lý.

  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2015 đến 2017, bao gồm giai đoạn khảo sát, thí nghiệm, thiết kế và ứng dụng thực tế tại công trình cống Đá Bạc, tỉnh Cà Mau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất và thủy văn vùng nghiên cứu: ĐBSCL có địa hình bằng phẳng, độ cao trung bình khoảng 0,25 m so với mặt nước biển, đất nền chủ yếu là đất yếu, có hệ số thấm nhỏ, hàm lượng hữu cơ cao và môi trường nhiễm mặn. Tổng lượng nước sông Cửu Long khoảng 500 tỷ m³, trong đó sông Tiền chiếm 79%, sông Hậu 21%. Mùa khô năm 2015-2017 ghi nhận sự giảm mạnh lượng nước ngọt, gây xâm nhập mặn nghiêm trọng.

  2. Hiện trạng sự cố thấm và xói ngầm: Tỷ lệ hư hỏng do thấm chiếm khoảng 15-20% trong tổng số sự cố công trình ngăn mặn, giữ ngọt. Các khe hở giữa bản đáy cống và sân trước, sân sau có thể lên đến 5-30 cm, gây xói ngầm nền và mang cống. Hiện tượng này gia tăng từ năm 2015 do biến đổi chế độ thủy văn và nước biển dâng.

  3. Hiệu quả vật liệu XMD kết hợp phụ gia: Thí nghiệm trong phòng cho thấy hệ số thấm của vật liệu XMD đạt giá trị từ 10⁻⁸ đến 10⁻¹⁰ cm/s, cường độ kháng nén tăng theo hàm lượng xi măng và giảm khi hàm lượng hữu cơ vượt quá 2%. Xi măng PCB 40 Kiên Lương được xác định là phù hợp nhất với điều kiện đất mặn tại công trình Đá Bạc.

  4. Thi công và mô phỏng tường chống thấm: Bố trí tường chống thấm bằng 1-2 hàng cọc XMD đường kính 0,6-1,1 m, khoảng cách giao cắt 0,25 m, chiều sâu tường từ 10-15 m, đảm bảo ngăn chặn dòng thấm hiệu quả. Mô phỏng cho thấy giảm áp lực thấm và hạn chế xói ngầm nền rõ rệt sau xử lý.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố thấm là do thiết kế công trình chỉ phù hợp với tổ hợp mực nước trong đồng cao, biển thấp, trong khi thực tế hiện nay mực nước biển cao hơn và mực nước trong đồng thấp hơn, tạo ra chênh lệch áp lực thấm lớn. Đất nền yếu, nhiều hữu cơ và nhiễm mặn làm giảm hiệu quả các giải pháp truyền thống như bơm bùn, khoan phụt xi măng cát.

So với các nghiên cứu trước đây tại miền Bắc, điều kiện địa chất ĐBSCL phức tạp hơn do đất yếu và môi trường mặn, đòi hỏi vật liệu và công nghệ xử lý phù hợp hơn. Việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting tạo cọc XMD kết hợp phụ gia đã khắc phục được nhược điểm của các phương pháp truyền thống, đồng thời phù hợp với điều kiện vận chuyển và thi công tại vùng kênh rạch chằng chịt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số thấm trước và sau xử lý, bảng phân tích thành phần hóa học xi măng và đất, cũng như sơ đồ bố trí tường chống thấm và mô phỏng áp lực thấm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ Jet Grouting tạo cọc XMD kết hợp phụ gia: Triển khai rộng rãi cho các công trình cống ngăn mặn, giữ ngọt tại ĐBSCL nhằm xử lý sự cố thấm, xói ngầm nền và mang cống. Mục tiêu giảm hệ số thấm xuống dưới 10⁻⁸ cm/s trong vòng 6-12 tháng sau thi công. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thi công chuyên ngành thủy lợi.

  2. Lựa chọn vật liệu phù hợp: Sử dụng xi măng PCB 40 Kiên Lương kết hợp phụ gia tạo tinh thể kiểm mạnh, phù hợp với đất nhiễm mặn và hàm lượng hữu cơ cao. Thí nghiệm trộn mẫu tại chỗ để điều chỉnh tỷ lệ xi măng và phụ gia tối ưu. Thời gian chuẩn bị vật liệu: 3 tháng.

  3. Tăng cường khảo sát địa chất và thủy văn: Thường xuyên cập nhật số liệu mực nước, thành phần đất và nước ngầm để điều chỉnh thiết kế và phương án xử lý phù hợp với biến đổi khí hậu và thủy văn. Chủ thể: các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý thủy lợi.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công: Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành công nghệ Jet Grouting, đảm bảo thi công chính xác, an toàn và hiệu quả. Thời gian đào tạo: 6 tháng, tổ chức định kỳ hàng năm.

  5. Xây dựng hệ thống giám sát và bảo trì: Thiết lập hệ thống giám sát áp lực thấm, độ lún và chất lượng công trình sau xử lý để kịp thời phát hiện và xử lý sự cố mới. Chủ thể: các cơ quan quản lý địa phương và đơn vị vận hành công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư thủy lợi: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật mới trong xử lý sự cố thấm, nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành công trình ngăn mặn, giữ ngọt.

  2. Các đơn vị thi công công trình thủy lợi: Áp dụng công nghệ Jet Grouting và vật liệu XMD kết hợp phụ gia trong thi công và sửa chữa công trình, giảm thiểu chi phí và thời gian thi công.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng thủy lợi, địa kỹ thuật: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và mô hình tính toán trong xử lý sự cố công trình thủy lợi vùng đất yếu, môi trường mặn.

  4. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Hiểu rõ tác động của biến đổi khí hậu và thủy văn đến công trình thủy lợi, từ đó xây dựng chính sách và kế hoạch ứng phó phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao công trình cống ngăn mặn ở ĐBSCL dễ bị sự cố thấm?
    Do thiết kế ban đầu chỉ phù hợp với tổ hợp mực nước trong đồng cao, biển thấp, trong khi thực tế mực nước biển tăng và mực nước trong đồng giảm, tạo chênh lệch áp lực thấm lớn. Đất nền yếu, nhiều hữu cơ và môi trường mặn làm giảm khả năng chống thấm của công trình.

  2. Công nghệ Jet Grouting tạo cọc XMD có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Jet Grouting tạo cọc XMD có thể thi công trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, tạo tường chống thấm liên tục, vật liệu có hệ số thấm rất thấp, phù hợp với đất yếu và môi trường mặn, đồng thời giảm thiểu thời gian và chi phí thi công.

  3. Phụ gia trong vật liệu XMD có vai trò gì?
    Phụ gia giúp tăng cường phản ứng thủy hóa xi măng, cải thiện cường độ và khả năng chống thấm của vật liệu, đặc biệt trong môi trường đất nhiễm mặn và có hàm lượng hữu cơ cao.

  4. Làm thế nào để xác định hàm lượng xi măng và phụ gia tối ưu?
    Thông qua thí nghiệm trộn mẫu trong phòng thí nghiệm với các tỷ lệ khác nhau, đo hệ số thấm và cường độ kháng nén, lựa chọn tỷ lệ đảm bảo hiệu quả kỹ thuật và kinh tế.

  5. Giải pháp xử lý sự cố thấm có thể áp dụng cho các công trình khác không?
    Có thể áp dụng cho các công trình thủy lợi, đê điều, cống ngăn mặn ở vùng đất yếu và môi trường mặn tương tự, tuy nhiên cần khảo sát đặc điểm địa chất và thủy văn cụ thể để điều chỉnh thiết kế phù hợp.

Kết luận

  • Đồng bằng sông Cửu Long là vùng trọng điểm kinh tế nhưng đang đối mặt với sự cố thấm, xói ngầm nền và mang cống do biến đổi khí hậu và thay đổi chế độ thủy văn.
  • Công nghệ Jet Grouting tạo cọc xi măng đất kết hợp phụ gia là giải pháp hiệu quả, phù hợp với điều kiện đất yếu, môi trường mặn và chênh lệch mực nước cao.
  • Thí nghiệm và mô phỏng cho thấy vật liệu XMD có hệ số thấm thấp, cường độ cao, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.
  • Ứng dụng thành công tại công trình cống Đá Bạc, tỉnh Cà Mau, mở ra hướng xử lý sự cố bền vững cho các công trình tương tự.
  • Khuyến nghị triển khai rộng rãi, đồng thời tăng cường khảo sát, đào tạo và giám sát để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Next steps: Triển khai áp dụng công nghệ tại các công trình trọng điểm khác trong vùng, hoàn thiện quy trình kỹ thuật và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Call to action: Các đơn vị quản lý và thi công công trình thủy lợi cần phối hợp nghiên cứu, ứng dụng công nghệ Jet Grouting để nâng cao hiệu quả phòng chống xâm nhập mặn và bảo vệ nguồn nước ngọt cho ĐBSCL.