5. Cấu trỳc đề tài luận ỏn
1.3.3. Những sự cố cụng trỡnh ở vựng cỏt chảy Nghi Sơn
Khu Kinh tế Nghi Sơn được Chớnh phủ thành lập, nằm ở phớa Đụng Nam tỉnh Thanh Húa, nằm trờn dải đồng bằng ven biển Bắc Trung Bộ, cú chiều dài khoảng 12km bờ biển. Là KKT nằm ở vựng ven biển, cú địa hỡnh tương đối bằng phẳng, thành tạo bởi cỏc dải cỏt hạt mịn, hạt bụi; cú địa hỡnh thấp, trũng, mực nước ngầm cao, chịu tỏc động của khớ hậu cực đoan, thủy triều đó tạo nờn vựng đồng bằng chịu tỏc động của cỏt chảy khi xõy dựng cụng trỡnh.
Hơn 10 năm xõy dựng và phỏt triển, Khu kinh tế Nghi Sơn được đỏnh giỏ là một trong 5 khu kinh tế trọng điểm của cả nước được Chớnh phủ quan tõm, ưu tiờn đầu tư xõy dựng hạ tầng để kờu gọi thu hỳt đầu tư, phỏt triển cụng nghiệp; Làm tăng nhanh giỏ trị thặng dư cho nền kinh tế.
Hằng năm KKT Nghi Sơn được đầu tư hàng nghỡn tỷ đồng để xõy dựng hạ tầng kỹ thuật, xó hội; trong đú chỳ trọng đầu tư phỏt triển hạ tầng giao thụng để kết nối cỏc khu chức năng trong và ngoài khu kinh tế; tạo sự đồng bộ và liờn kết chặt chẽ giữa đường bộ, đường sắt, đường biển và đường hàng khụng để trao đổi, giao thương hàng húa, du lịch, hành khỏch, cũng như tạo sự liờn kết vựng.
Cựng với quỏ trỡnh đầu tư, xõy dựng; cụng tỏc thi cụng, khai thỏc cỏc cụng trỡnh trong khu kinh tế Nghi Sơn thời gian qua gặp những sự cố cụng trỡnh do cỏt chảy cú thể nờu tờn như sau:
1/ Sự cố khi thi cụng cụng trỡnh đường vào nhà mỏy giày khu vực xó Bỡnh Minh – Sự cố trong thi cụng, (Hỡnh 1.23, 1.24).
Sự cố được mụ tả và gõy tổn thất như sau:
- Nền đường được thiết kế với nền đào sõu 50 cm, thi cụng đắp bự 30cm K98. Kết quả khụng thi cụng được phải búc đi làm lại nhiều lần do lớp K98 chịu tỏc động của nước ngầm và cỏt chảy dưới nền cụng trỡnh; đồng thời bức tường của nhà mỏy chạy dọc sỏt bờn đường cũng bị lỳn, nứt và sập.
Nguyờn nhõn do tỏc động của lớp cỏt chảy dưới múng nền đường cú độ chặt khụng đủ; khi đầm lốn, cỏc lớp cỏt trượt lờn nhau gõy ra trồi lỳn, sỡnh lầy lớp k98, khụng thể thi cụng được. Khụng những thế, lớp cấp phối đỏ dăm cũng khụng thể chịu được khi xe chạy. Kết quả phải búc đi làm lại, kinh phớ tăng lờn nhiều lần.
Đồng thời khi đầm rung, chấn động của lu làm cho cỏt dưới nền đường chuyển động và gõy tỏc động, dịch chuyển đến lớp cỏt dưới múng của tường rào làm nghiờng đổ bức tường dài gần 1km, phải phỏ đi, xõy lại.
Hỡnh 1.23. Đường trờn nền Cỏt chảy bị sỡnh lỳn, trồi khi thi cụng đường vào nhà mỏy Giày, KKT Nghi Sơn
Hỡnh 1.24. Tường rào bị sập do chấn động nền đường đang thi cụng đường vào nhà mỏy Giày, KKT Nghi Sơn
2/ Cụng trỡnh đường Đụng Tõy 2, KKT Nghi Sơn- sự cố trong thi cụng.
Quỏ trỡnh thi cụng đầm lốn gõy nờn chấn động cỏc hộ dõn hai bờn đường làm nứt nhà cửa của nhõn dõn hai bờn đường, phải đền bự thiệt hại. Sau mựa
mưa năm 2009, cỏt chảy cũn gõy xúi lở nền đường đang thi cụng (Hỡnh 1.14).
3/ Cụng trỡnh đường giao thụng khu dõn cư Nguyờn Bỡnh – Sự cố khai thỏc (Hỡnh 1.25, 1.26).
Đường trong khu dõn cư Nguyờn bỡnh – Khu kinh tế Nghi Sơn, sau khi thi cụng xong, đưa vào khai thỏc một thời gian thỡ xuất hiện cỏc vết nứt do lớp cỏt chảy dưới nền đường chuyển động làm biến dạng cỏc lớp nền đường. Vậy nờn phải đào bỏ thi cụng lại.
Hỡnh 1.25. Thi cụng cống thoỏt nước Nguyờn Bỡnh gặp cỏt chảy
Hỡnh 1.26. Đường trờn nền cỏt chảy bị lỳn nứt, khu dõn cư Nguyờn Bỡnh
4/ Cụng trỡnh đường 513 Khu kinh tế Nghi Sơn – Sự cố khai thỏc
Cụng trỡnh đường 513 Khu kinh tế Nghi Sơn đang khai thỏc, sử dụng bị
Hỡnh 1.27. Cỏt chảy gõy hư hỏng thượng lưu cống và nền đường 513 KKT Nghi Sơn trong mựa mưa, lũ năm 2013
5/ Thi cụng cọc khoan nhồi cầu sụng Bạng 2, KKT Nghi Sơn gặp thấu kớnh cỏt chảy ở độ sõu -15m, làm sập ống vỏch; khụng thể khoan tiếp được. Để tiếp tục khoan đến độ sõu thiết kế, phải bỏ đi một đoạn ống vỏch để giữ thành cọc và khoan qua thấu kớnh đú.
6/ Thi cụng kờnh thoỏt nước thụn thành gặp sự cố cỏt chảy làm trụi cọc
cừ, lấp hố múng cụng trỡnh làm tăng chi phớ xõy dựng (Hỡnh 1.28).
Hỡnh 1.28. Kờnh thoỏt nước KKT Nghi Sơn bị sạt lở hố múng do cỏt chảy
7/ Cơn bóo số 10 ngày 30/9 năm 2013 gõy mưa to, lượng mưa lờn đến 50mm, đó gõy ra vỡ 3 hồ chứa nước trong huyện Tĩnh Gia – KKT Nghi Sơn là
Hỡnh 1.29. Hồ Đồng Đỏng, KKT Nghi Sơn bị vỡ khiến nhiều hộ dõn bị ngập lụt.
Lượng nước tớch trữ trong 3 hồ kể trờn cú tổng dung tớch lờn đến gần 1 triệu m3 đổ ập xuống làm hơn 1.000 hộ dõn ở 5 xó Tõn Trường, Trường Lõm, Mai Lõm, Trỳc Lõm, Hải Thượng… bị ngập sõu trong nước từ 1 – 1,5m, cú nơi ngập đến 2m nước.
Những sự cố, hỡnh ảnh nờu trờn đó phần nào mụ tả sự cố cụng trỡnh do cỏt chảy ở trờn thế giới, Việt Nam cũng như KKT Nghi Sơn; chỳng rất đa dạng và phổ biến khi thi cụng ở hầu hết cỏc dạng cụng trỡnh: Cống, nền đường, cụng trỡnh cầu, nhà cửa, đờ đập thủy lợi… Do vậy việc nghiờn cứu giải phỏp khắc phục những sự cố cỏt chảy KKT Nghi Sơn đang là vấn đề thời sự và cấp bỏch.
1.4. Cỏc nghiờn cứu trờn thế giới, trong nước về cỏt chảy và giải phỏp chống cỏt chảy
1.4.1. Cỏc nghiờn cứu về cỏt chảy trờn thế giới
Cỏt chảy là hiện tượng địa chất rất phức tạp, phổ biến; vỡ vậy cỏc nhà khoa học và xõy dựng thế giới đó nghiờn cứu về hiện tượng này từ rất sớm và trong thời gian dài; trong nhiều thế kỷ, con người phải gian nan chống chọi với hiện tượng tự nhiờn phức tạp đú. Lý thuyết thấm trong đất và cỏc nghiờn cứu đó làm sang tỏ cơ chế hoạt động của cỏt chảy; từ đú người ta đó nghiờn cứu cỏc giải phỏp kỹ thuật để chống giữ hố múng, bơm hỳt nước, cố kết đất, ngăn chặn hoạt động của nước ngầm… Ngày nay nhiều nơi trờn thế giới người ta sử dụng giải phỏp bơm phụt vữa để khống chế dũng thấm. Biện phỏp bơm phụt vữa khỏ hiệu quả, tuy nhiờn đũi hỏi thiết bị hiện đại, đắt tiền.
Năm 1933, khi nghiờn cứu cỏt chảy K.Terzaghi cho rằng tớnh chảy của cỏt hoàn toàn chỉ do tỏc dụng của ỏp lực thủy động, chứ khụng phải bản chất
Năm 1935, A.F.Lebedev kết luận rằng tớnh chảy khụng những liờn quan với ỏp lực thủy động mà cũn liờn quan tới thành phần đặc biệt của cỏt. Cỏt chảy tiờu biểu cú thành phần và những dấu hiệu đặc trưng dễ nhận biết. A.F.Lebedev đề nghị gọi cỏt chảy như vậy là cỏt chảy thật. Kết luận này được nhiều nhà nghiờn cứu xỏc nhận, trong số đú cú kết quả nghiờn cứu của N.N.Maxlov (1959,1968,1971).
N.N.Maxlov cho rằng sự húa lỏng và chảy của cỏt khụng những liờn quan đến thành phần mà liờn quan đến tớnh chất và trạng thỏi của cỏt. Tớnh chảy chỉ đặc trưng cho những loại cỏt khụng cú lực ma sỏt trong cũn lực dớnh thỡ khụng cú hoặc nhỏ. Năm 1972, V.V.Radina cụng bố về ảnh hưởng của vi
sinh vật với tớnh chảy của cỏt chảy thật. [40], [42]
Năm 1959, P.Uxov đó liệt cỏt chảy vào cỏc loại đất đặc biệt, chỳng cú tớnh
chảy. [7]
Cuối năm 1970, Viện thiết kế Thủy lợi Liờn Xụ phỏt hiện ra vi sinh vật
trong cỏt chảy. Vi sinh vật cũng đúng vai trũ quan trọng làm cho cỏt chảy. [23]
Năm 1943 trong giỏo trỡnh cơ học đất, Giỏo sư Karl Terzaghi đó đề cập đến hiện tượng cỏt chảy (seepage); hay Soi Mechanic của tỏc giả Robert Nova, Australia, 1995…cú thể núi trong cỏc tài liệu về cơ học đất trờn thế giới đều đề cập đến hiện tượng cỏt chảy; tuy nhiờn giải phỏp cụ thể chống cỏt chảy thỡ vẫn đang trong quỏ trỡnh nghiờn cứu ở nhiều dạng thức và cấp độ khỏc nhau tựy thuộc trỡnh độ khoa học cụng nghệ của mỗi quốc gia, khu vực.
Năm 1945, cụng binh Mỹ thực hiện đầu tiờn việc đào hào trong dung dịch để xõy dựng chõn khay chống thấm dọc đờ sụng Missippi. Năm 1959 ỏp dụng làm tường chống thấm cho đập đất đập lớn đầu tiờn (USACE). Kể từ đú cụng nghệ này được ỏp dụng chống thấm cho rất nhiều đập.
Năm 1969, hào xi măng – bentonit được thi cụng đầu tiờn ở đập Razaza (Iran) do cụng ty Soletane thực hiện, từ năm 1971 – 1972 cú 4 đập ở Mehico sử dụng tường hào xi măng – bentonit để chống thấm cho thõn và nền đập.
Năm 2005, Diễn đàn cỏc kỹ sư kết cấu Việt Nam cụng bố đề tài, Hạ thấp
mực nước ngầm khi thi cụng hố múng lớn, cỏch thi cụng hạ thấp MNN tại Vương quốc Bỉ, cụng ty Vinck.
Năm 2006, nhúm sinh viờn Khỳc Hồng Võn, Heng Phoury và Nguyễn
Khoa Diệu Linh nghiờn cứu khoa học đề tài: “ Bảo vệ thành vỏch và tiờu nước
1.4.2. Cỏc nghiờn cứu về cỏt chảy ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cỏt chảy cũng đó được đề cập đến trong cỏc giỏo trỡnh cơ học đất, nền múng của cỏc tỏc giả: Lờ Quý An, Bựi Anh Định, Nguyễn cụng Mẫn, Vũ Cụng Ngữ, Nguyễn sỹ Ngọc, Nguyễn Văn Quỳ, Nguyễn Uyờn… Tuy nhiờn, cỏc tài liệu chỉ liệt kờ, mang tớnh định tớnh. Cỏc nghiờn cứu cụ thể về giải phỏp chống cỏt chảy chưa nhiều, chủ yếu nghiờn cứu ứng dụng chống thấm cho cỏc cụng trỡnh thủy lợi.
Vấn đề chống thấm, ổn định hố múng được đề cấp đến qua cỏc bài bỏo của cỏc nhà nghiờn cứu địa chất xõy dựng như:
Lờ Thanh Bỡnh, Sự cố thấm mất nước và xử lý nền đập bằng phương phỏp
khoan phụt, tuyển tập Khoa học cụng nghệ, số 11, 2008, Viện Khoa học thủy lợi
miền Nam;
Nguyễn Cảnh Thỏi, “Nghiờn cứu hệ số thấm của tường hào đất –
bentonit” trờn tạp chớ địa kỹ thuật, Năm 2009.
Nguyễn Anh Tỳ – Nghiờn cứu giải phỏp tường hào đất – bentonit – xi
măng để nõng cao khả năng chống thấm cho đập đất - Luận ỏn Tiến sĩ kỹ thuật,
2012.[37]
Nguyễn Cảnh Thỏi, Tụ Quang Trung – Nghiờn cứu ổn định vỏch hào thi cụng trong dung dịch Bentonit theo trạng thỏi khụng gian ba chiều, Bỏo khoa
học kỹ thuật Thủy lợi và mụi trường, 2013; [29]
Bựi Văn Trường, “Kết quả bước đầu nghiờn cứu xúi ngầm, cỏt chảy nền
đờ sụng Hồng bằng phương phỏp thớ nghiệm hiện trường” đăng trờn tạp chớ Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Mụi trường, số 9/2015.[36]
Nguyễn Cảnh Thỏi, Lương Thanh Hương – Tớnh toỏn ổn định vỏch hào
Bentonit trong đất ớt dớnh, 2015; [32]
Nguyễn Cảnh Thỏi, Nguyễn Anh Tỳ, Bựi Quang Cường, Thi cụng thử
nghiệm tường hào đất – bentonit chống thấm, 2016.[31]
Trần Văn Toản, Nghiờn cứu cải tiến cụng nghệ hạ thấp mực nước ngầm
trong xõy dựng cụng trỡnh trờn nền mềm yếu cú hiện tượng cỏt chảy, Luận văn
Thạc sĩ kỹ thuật, 2016.[33]
Về một số ứng dụng trong biện phỏp chống cỏt chảy trong thi cụng, ở Việt Nam đó sử dụng phương phỏp giếng chỡm cho trụ giữa cầu dành trờn QL10,
trạm bơm Hữu Bị Nam Định, trụ cầu Thăng Long… [40]
Nhỡn chung, cỏc tài liệu trong và ngoài nước đề cập về cỏt chảy chủ yếu
tập trung vào cỏc biện phỏp chống cỏt chảy sau đõy: [7], [14], [15], [20], [24], [37], [40], [41],
[42]43], [52], [53], [54]…
- Làm khụ nhõn tạo đất bóo hũa nước bằng thiết bị hạ thấp mực nước dưới
đất: Thỏo khụ nhõn tạo, giếng khoan, giếng chõn kim. Nước dưới đất sẽ khụng
chảy trực tiếp vào hố múng mà chảy ngầm dưới đỏy múng.
Ưu điểm: Cụng nghệ đơn giản
Nhược điểm: Chỉ ỏp dụng phự hợp cho cỏt chảy giả, diện thi cụng hẹp, mang tớnh tạm thời khi thi cụng. Khi bơm hỳt sẽ tỏc động ảnh hưởng đến mặt bằng và mụi trường xung quanh, dễ gõy tỏc động lỳn nứt đối với cụng trỡnh lõn cận.
- Chặn cỏt chảy bằng phương phỏp cơ học: Cừ thộp, cừ gỗ, tường hào, hoặc bằng phương phỏp húa học (đụng kết đất đỏ) nhằm tạo bức tường bao quanh hố múng để ngăn chặn cỏt chảy vào hố múng, cụng trỡnh ngầm.
Ưu điểm: Ngoài phương phỏp húa học, cỏc phương phỏp cũn lại cụng nghệ cụng đơn giản, dễ thực hiện.
Nhược điểm: Ngoài phương phỏp tường hào, cỏc giải phỏp khỏc mang tớnh tạm thời, ứng dụng trong diện thi cụng hẹp và thường đúng cừ đến lớp cỏch nước, ổn định để trỏnh cỏt chảy qua đỏy cừ vào hố múng. Tốn nhiều kinh phớ thu dọn, hoàn trả mặt bằng sau khi thi cụng; Phương phỏp húa học gõy ụ nhiễm mụi trường, cụng nghệ phức tạp.
- Cõn bằng ỏp lực gõy ra cỏt chảy bằng khụng khớ nộn – phương phỏp giếng chỡm hơi ộp.
Ưu điểm: Xử lý được chiều sõu lớn như cọc của mố trụ cầu
Nhược điểm: Chỉ sử dụng khi múng hẹp, cụng nghệ phức tạp.
1.4.3. Những vấn đề cũn hạn chế và hướng nghiờn cứu của đề tài Những vấn đề cũn tồn tại Những vấn đề cũn tồn tại
Từ những kết quả phõn tớch cho thấy, giải phỏp chống cỏt chảy trong xõy dựng cụng trỡnh đó được nhiều nhà khoa học trờn thế giới nghiờn cứu từ khỏ sớm.
Nhúm nghiờn cứu về lý thuyết: thường được đề cập trong cỏc giỏo trỡnh
về cơ học đất, địa chất cụng trỡnh. [7], [14], [15], [16], [17], [19], [20], [22], [24], [26], [34], [35], [39],
[40], [41], [42], [48], [62]…
Nhúm nghiờn cứu thực tế thường gắn liền với cỏc sự cố cụng trỡnh do cỏt chảy; nhúm này thường đề cập, phõn tớch nguyờn nhõn, hoặc đề xuất cỏc giải phỏp xử lý sự cố. [1], [2], [3], [8], [10], [11], [12], [13], [18], [37], [38], [43], [52], [53], [60], [61] …
- Cỏc đề tài nghiờn cứu giải phỏp chống cỏt chảy mới chủ yếu tập trung
nghiờn cứu khi chống thấm cho cỏc cụng trỡnh Thủy lợi [46], [49], dõn dụng; lĩnh
vực xõy dựng cụng trỡnh rộng lớn như xõy dựng đường ụ tụ, chưa được quan tõm chỳ ý nhiều .
- Khi xõy dựng nền múng cụng trỡnh ở khu vực cú cỏt chảy, nhỡn chung
người ta thường ỏp dụng cỏc nhúm giải phỏp cụng nghệ chớnh. [15], [18], [21], [37], [40],
[41], [43], [44], [45], [46], [49]…
1). Triệt tiờu dũng ngầm (thỏo khụ), hạ thấp mực nước ngầm (giếng cỏt đơn hoặc đa giếng...).
2). Chặn dũng ngầm (tường chắn, hệ cọc, tường võy, đúng băng nước ngầm, jet grouting…)
3). Hạn chế khả năng hoạt động của dũng thấm bằng cỏch tỏc động vào cả hai yếu tố/ điều kiện gõy ra cỏt chảy kết hợp bơm hỳt nước làm khụ hố múng.
Nhúm giải phỏp 1) và 2) đũi hỏi đầu tư thiết bị rất đắt tiền, thi cụng phức tạp, thường được ỏp dụng cho thi cụng cỏc hố múng cụng trỡnh cú diện tớch khụng lớn, hố múng và tầng nước ngầm sõu.
Múng đường ụ tụ thường kộo dài theo diện rộng tới hàng chục, hàng trăm km và cú chiều sõu hạn chế khoảng 1 – 3 một; khi đú ỏp dụng giải phỏp 3) bằng cỏch làm hào chắn dũng ngầm kết hợp cho thấm nhập vào tầng cỏt chảy cỏc vật liệu phụ gia (VLPG) làm thay đổi thuộc tớnh cơ lý của cỏt ngầm và dũng ngầm, nhờ đú làm giảm hệ số thấm (giảm vận tốc thấm), như vậy sẽ làm giảm ỏp lực thủy động dũng thấm tỏc động lờn những hạt cỏt, và do đú hạn chế được cỏt chảy, tạo điều kiện cho hỳt khụ nước và thi cụng múng thuận lợi.
Hướng nghiờn cứu mới của đề tài:
Như đó phõn tớch ở trờn, luận ỏn tập trung nghiờn cứu giải phỏp chống cỏt chảy trong xõy dựng nền múng đường ụ tụ, bằng cỏch cho thấm nhập cỏc vật liệu phụ gia sẵn cú, rẻ tiền ở địa phương hoặc khu vực phụ cận (như bột sột, xi măng, betonnite, thủy tinh lỏng…) vào tầng cỏt chảy qua hào chống thấm.
Bằng thực nghiệm, luận ỏn tập trung nghiờn cứu hiệu quả chống thấm của cỏc vật liệu phụ gia khỏc nhau, tổ hợp phối trộn những loại vật liệu với cỏc tỷ lệ