Tổng quan nghiên cứu

Sạt lở bờ sông là một hiện tượng tự nhiên phổ biến nhưng gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và xã hội, đặc biệt tại các vùng ven sông. Ở Việt Nam, tình trạng này diễn ra rộng khắp, ảnh hưởng trực tiếp đến đất nông nghiệp, nhà cửa, hạ tầng giao thông và an toàn tính mạng người dân. Đặc biệt, đoạn kè Hàm Rồng thuộc đê hữu sông Mã, tỉnh Thanh Hóa, dài 1392m, là công trình trọng yếu bảo vệ thành phố Thanh Hóa, quốc lộ 1A và tuyến đường sắt Bắc Nam, đang đối mặt với hiện tượng sạt lở nghiêm trọng tại đoạn từ K39+350 đến K39+425. Sau trận lũ tháng 9/2012, các vết nứt rộng 15-20cm xuất hiện, kèm theo sụt lún sâu tới 2,5m vào cuối năm 2013, đe dọa ổn định công trình và mỹ quan đô thị.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá nguyên nhân gây sạt lở, phân tích điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm đảm bảo ổn định kè Hàm Rồng, đồng thời đáp ứng yêu cầu về cảnh quan đô thị. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn kè bị ảnh hưởng nghiêm trọng, với dữ liệu khảo sát địa hình, địa chất và thủy văn thu thập từ năm 2009 đến 2013. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho khu vực trung tâm thành phố Thanh Hóa, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai và phát triển bền vững vùng ven sông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong lĩnh vực thủy lợi và kỹ thuật xây dựng công trình bảo vệ bờ sông, bao gồm:

  • Lý thuyết cơ học đất: Phân tích áp lực đất chủ động, áp lực nước ngầm và các lực tác động lên kết cấu kè, sử dụng công thức tính áp lực chủ động dựa trên góc ma sát trong (ϕ), trọng lượng riêng đất (γ) và chiều sâu (h).

  • Mô hình thủy lực dòng chảy trong sông: Đánh giá ảnh hưởng của dòng chảy, thủy triều và lưu lượng lũ đến hiện tượng xói lở chân kè, đặc biệt tại các vị trí bờ lõm và khu vực lòng sông bị thu hẹp.

  • Khái niệm công trình bảo vệ bờ sông: Phân loại công trình thành dân gian, bán kiên cố và kiên cố; các loại vật liệu và kết cấu phổ biến như thảm đá, rọ đá, bê tông cốt thép, vải địa kỹ thuật và công nghệ mềm như sử dụng thực vật bảo vệ bờ.

  • Khái niệm ổn định kết cấu kè: Bao gồm ổn định theo phương ngang, phương đứng, ổn định cục bộ và tổng thể, liên quan đến tải trọng, xói chân kè và biến dạng nền đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá dựa trên các nguồn dữ liệu sau:

  • Dữ liệu khảo sát địa hình và địa chất: Thu thập từ các đợt khảo sát năm 2009 và 2013, bao gồm mặt cắt địa chất ngang kè, đặc tính cơ lý đất, độ sâu lòng sông, và các chỉ tiêu như góc ma sát trong (ϕ), độ kết dính (C), trọng lượng riêng (γ).

  • Dữ liệu thủy văn và khí tượng: Lưu lượng nước trung bình và cực đại tại trạm Cẩm Thủy, mực nước thiết kế, ảnh hưởng thủy triều và biến động khí hậu vùng Thanh Hóa.

  • Phân tích nguyên nhân sạt lở: Sử dụng mô hình tính toán áp lực đất, áp lực nước, và ổn định kết cấu kè theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

  • Phương pháp chọn mẫu và cỡ mẫu: Khảo sát địa chất tại các vị trí trọng điểm, đặc biệt đoạn K39+350 – K39+425, với các lỗ khoan sâu đến 30m để xác định cấu trúc địa tầng và đặc tính đất nền.

  • Phân tích so sánh và đánh giá: So sánh hiện trạng kè trước và sau thi công, đánh giá hiệu quả các giải pháp xử lý đã áp dụng, đồng thời tham khảo các nghiên cứu và công trình tương tự trong nước và quốc tế.

  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2009 đến 2014, bao gồm khảo sát hiện trường, thu thập dữ liệu, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp và tính toán kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân sạt lở chủ yếu do dòng chảy và thủy triều: Đoạn kè nằm tại vị trí lòng sông bị thu hẹp, đáy sông sâu tới -32m, với lưu vực gần 29.000 km² và lưu lượng lũ hơn 600.000 m³/s. Dòng chảy mùa lũ và thủy triều tạo ra lực xói mạnh, đặc biệt khi triều rút, làm xói rỗng chân kè, dẫn đến sụt lún và đứt gãy thân kè. Ví dụ, sau trận lũ tháng 9/2012, vết nứt rộng 15-20cm xuất hiện, sụt lún đến 2,5m vào cuối năm 2013.

  2. Điều kiện địa chất phức tạp và yếu kém tại đoạn sạt lở: Khảo sát năm 2013 cho thấy lớp đất sét màu xám xanh, xám ghi có độ dẻo mềm, kết cấu yếu với góc ma sát trong ϕ khoảng 7° và độ kết dính C chỉ 0,10 kg/cm², dày khoảng 10m. Lớp đất này không được khảo sát kỹ trong thiết kế năm 2009, dẫn đến tính toán ổn định không chính xác và không phát hiện nguy cơ sạt lở.

  3. Tải trọng gia tăng do xây dựng kè và các công trình phụ trợ: Việc gia tải trên thân kè và đỉnh mái làm tăng áp lực đất, gây trượt mái và mất ổn định kết cấu. Thi công không đúng trình tự, như thi công phần trên mái kè trước khi bảo vệ chân kè, cũng góp phần làm mất ổn định.

  4. Hiệu quả hạn chế của các giải pháp xử lý hiện tại: Đoạn kè từ K39+425 – K39+455 được xử lý bằng đá hộc với khối lượng 4172 m³ đã ổn định, nhưng đoạn K39+350 – K39+425 vẫn tiếp tục sạt lở, cho thấy cần giải pháp kỹ thuật phù hợp hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sạt lở tại kè Hàm Rồng là sự kết hợp phức tạp giữa yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Dòng chảy mạnh và thủy triều tạo ra áp lực lớn lên chân kè, trong khi địa chất yếu làm giảm khả năng chịu lực của nền móng. So với các nghiên cứu về kè bảo vệ bờ sông tại Đồng bằng sông Cửu Long và các vùng đồng bằng khác, hiện tượng xói chân kè và sụt lún nền đất yếu là phổ biến, nhưng mức độ nghiêm trọng tại Hàm Rồng cao hơn do đặc điểm địa hình lòng sông sâu và thu hẹp.

Dữ liệu khảo sát địa chất năm 2013 cung cấp thông tin quan trọng để điều chỉnh thiết kế và lựa chọn giải pháp xử lý phù hợp, khắc phục hạn chế của thiết kế năm 2009. Việc áp dụng các công nghệ mới như vải địa kỹ thuật, thảm đá, công nghệ gia cố nền đất yếu (NeowebTM, cọc xi măng đất) và kết hợp công trình cứng – mềm được đánh giá là hướng đi hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ lún theo thời gian tại các vị trí khảo sát, bảng phân tích đặc tính cơ lý đất nền và sơ đồ mô phỏng dòng chảy, áp lực tác động lên kè để minh họa rõ ràng nguyên nhân và mức độ ảnh hưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cố nền móng bằng công nghệ NeowebTM và cọc xi măng đất

    • Mục tiêu: Tăng cường khả năng chịu lực của nền đất yếu, giảm nguy cơ trượt mái và sụt lún.
    • Thời gian: Triển khai trong vòng 12 tháng.
    • Chủ thể: Ban quản lý dự án phối hợp với các nhà thầu chuyên ngành địa kỹ thuật.

  2. Sử dụng thảm đá và vải địa kỹ thuật bảo vệ chân kè

    • Mục tiêu: Ngăn chặn xói lở chân kè, giảm thiểu hiện tượng đá bị cuốn trôi.
    • Thời gian: Thi công đồng bộ với gia cố nền móng, hoàn thành trong 6 tháng.
    • Chủ thể: Nhà thầu xây dựng công trình thủy lợi.

  3. Thiết kế lại kết cấu thân kè với bê tông cốt thép và cấu kiện đúc sẵn

    • Mục tiêu: Đảm bảo ổn định tổng thể, tăng tính thẩm mỹ và phù hợp cảnh quan đô thị.
    • Thời gian: 18 tháng, bao gồm khảo sát, thiết kế và thi công.
    • Chủ thể: Viện nghiên cứu xây dựng và đơn vị tư vấn thiết kế.

  4. Áp dụng công nghệ thi công tiên tiến, đảm bảo trình tự thi công đúng kỹ thuật

    • Mục tiêu: Tránh thi công phần trên mái kè trước khi bảo vệ chân kè, giảm thiểu rủi ro mất ổn định trong quá trình thi công.
    • Thời gian: Giám sát liên tục trong suốt quá trình thi công.
    • Chủ thể: Chủ đầu tư, tư vấn giám sát và nhà thầu thi công.

  5. Kết hợp công trình cứng và công nghệ mềm (trồng cỏ Vetiver, sử dụng vải địa kỹ thuật sinh học)

    • Mục tiêu: Tăng cường ổn định bờ kè, cải thiện môi trường sinh thái và cảnh quan.
    • Thời gian: Triển khai sau khi hoàn thành gia cố cơ bản, trong vòng 6 tháng.
    • Chủ thể: Ban quản lý dự án và các tổ chức môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về thủy lợi và phòng chống thiên tai

    • Lợi ích: Có cơ sở khoa học để lập kế hoạch, quy hoạch và đầu tư các công trình bảo vệ bờ sông hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do sạt lở.

  2. Các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công công trình thủy lợi, giao thông

    • Lợi ích: Áp dụng các phương pháp phân tích, tính toán ổn định và giải pháp kỹ thuật tiên tiến trong thiết kế và thi công kè bảo vệ bờ sông.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi, kỹ thuật môi trường

    • Lợi ích: Tham khảo mô hình nghiên cứu, phương pháp khảo sát và phân tích nguyên nhân sạt lở, đồng thời cập nhật các công nghệ mới trong lĩnh vực bảo vệ bờ sông.

  4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và phát triển bền vững

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của công trình bảo vệ bờ sông đến môi trường tự nhiên, từ đó đề xuất các giải pháp hài hòa giữa phát triển kỹ thuật và bảo vệ sinh thái.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây sạt lở kè Hàm Rồng là gì?
    Nguyên nhân chính là sự kết hợp của dòng chảy mạnh, thủy triều và địa chất yếu kém tại đoạn kè. Dòng chảy mùa lũ và thủy triều tạo áp lực lớn lên chân kè, trong khi lớp đất sét mềm yếu làm giảm khả năng chịu lực của nền móng.

  2. Tại sao đoạn kè từ K39+350 đến K39+425 bị sạt lở nghiêm trọng hơn các đoạn khác?
    Đoạn này nằm tại vị trí lòng sông bị thu hẹp, đáy sông sâu tới -32m, có lớp đất yếu dày khoảng 10m chưa được khảo sát kỹ trong thiết kế ban đầu, dẫn đến tính toán ổn định không chính xác và thiếu giải pháp gia cố phù hợp.

  3. Các giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để xử lý sạt lở?
    Giải pháp bao gồm gia cố nền móng bằng công nghệ NeowebTM và cọc xi măng đất, sử dụng thảm đá và vải địa kỹ thuật bảo vệ chân kè, thiết kế lại kết cấu thân kè bằng bê tông cốt thép, áp dụng công nghệ thi công đúng trình tự và kết hợp công trình cứng – mềm.

  4. Việc sử dụng thực vật như cỏ Vetiver có hiệu quả như thế nào trong bảo vệ bờ sông?
    Cỏ Vetiver có bộ rễ sâu 1-4m, khả năng chịu nước tốt, giúp gia cố đất bờ sông, giảm xói lở và cải thiện môi trường sinh thái. Đây là giải pháp thân thiện môi trường, chi phí thấp và được áp dụng hiệu quả tại nhiều vùng ven sông.

  5. Làm thế nào để đảm bảo thi công kè không gây mất ổn định trong quá trình xây dựng?
    Cần tuân thủ trình tự thi công, không thi công phần trên mái kè trước khi bảo vệ chân kè, sử dụng công nghệ thi công tiên tiến như bê tông đổ dưới nước và giám sát chặt chẽ tiến độ, chất lượng thi công.

Kết luận

  • Đoạn kè Hàm Rồng từ K39+350 đến K39+425 bị sạt lở nghiêm trọng do tác động kết hợp của dòng chảy mạnh, thủy triều và địa chất yếu kém.
  • Thiết kế ban đầu thiếu khảo sát địa chất chi tiết tại vị trí sạt lở, dẫn đến tính toán ổn định không chính xác và thiếu giải pháp gia cố phù hợp.
  • Các giải pháp kỹ thuật hiện đại như gia cố nền móng bằng NeowebTM, cọc xi măng đất, sử dụng thảm đá và vải địa kỹ thuật được đề xuất nhằm đảm bảo ổn định và bền vững cho kè.
  • Việc kết hợp công trình cứng và công nghệ mềm (thực vật) không chỉ tăng cường ổn định mà còn cải thiện cảnh quan và môi trường sinh thái.
  • Tiếp tục theo dõi, khảo sát và giám sát thi công chặt chẽ là cần thiết để đảm bảo hiệu quả lâu dài của công trình.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp gia cố nền móng và bảo vệ chân kè trong vòng 12-18 tháng, đồng thời áp dụng công nghệ thi công tiên tiến và kết hợp công trình mềm để nâng cao hiệu quả. Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công cần phối hợp chặt chẽ để đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

Kêu gọi hành động: Các nhà quản lý, chuyên gia kỹ thuật và cộng đồng địa phương cần quan tâm, hỗ trợ và tham gia vào quá trình xử lý sạt lở kè Hàm Rồng nhằm bảo vệ an toàn cho thành phố Thanh Hóa và phát triển bền vững vùng ven sông.