Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp để gia cố đê biển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nước biển dâng

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng như hiện nay sóng biển và sóng tràn đang trở thành một dạng tải trọng đặc biệt trong thiết kế đê biển. Các giải pháp công nghệ mới, công nghệ tiên tiến nhằm ổn định toàn bộ thân đê, tăng cường ổn định lớp gia cố mái thượng lưu chịu được sức mạnh của sóng lớn và ăn mòn của nước biển và giải pháp công trình cho mái hạ lưu đê khi có sóng tràn qua là rất cần thiết và có tính khoa học cao.

Nhiều nước trên thế giới, trong đó có Hà Lan, nghiên cứu thành công và sử dụng rất phổ biến vật liệu cát, đá và bitum bảo vệ mái đê biển. So với các vật liệu gia cố chúng ta thường dùng trước đây là bê tông hoặc bê tông cốt thép thì vật liệu hỗn hợp bitum, cát, đá có những tính năng ưu việt hơn hẳn, đó là: khả năng chống xâm thực trong môi trường nước biển tốt hơn nhiều, khả năng biến dạng, đàn hồi tốt, có thể thích ứng một cách mềm dẻo với những biến dạng, lún sụt của nền đê và thân đê, hạn chế được những lún sụt, xói lở cục bộ của đê biển, độ bền và tuổi thọ cao hơn nhiều, v.v… tuy nhiên để có thể chuyển giao ứng dụng rộng rãi vào thực tế của Việt Nam đòi hỏi phải có nghiên cứu bài bản, toàn diện để hoàn thiện các công đoạn từ thiết kế thành phần cấp phối vật liệu vữa bitum, nghiên cứu quy định yêu cầu kỹ thuật đối với các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu hỗn hợp asphalt, quy trình công nghệ tính toán thiết kế, thi công, quản lý vận hành, duy tu, bảo dưỡng đến việc đánh giá tác động đến môi trường phù hợp với điều kiện tự nhiên, trình độ công nghệ của Việt Nam, nghiên cứu xây dựng định mức, dự toán xây dựng, tiến tới ban hành các tiêu chuẩn quốc gia, định mức kỹ thuật về các vấn đề nêu trên. Do đó để có thể nghiên cứu đề xuất được công nghệ thiết kế, chế tạo, sản xuất, xây lắp và thử nghiệm mẫu lớp bảo vệ đê biển bằng vật liệu hỗn hợp tại hiện trường, nhóm nghiên cứu do TS Nguyễn Thanh Bằng, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp để gia cố đê biển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nước biển dâng”.

Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu tập trung chính vào các tính toán thí nghiệm chỉ giới hạn cho đối tượng là lớp gia cố mái đê phía biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt và chỉ tập trung nghiên cứu đặc tính kỹ thuật, điều kiện áp dụng, xây dựng quy trình sản xuất vật liệu, tính toán thiết kế, thi công, kiểm tra chất lượng, quản lý bào trì đối với 3 đối tượng chính đó là bê tông asphalt (asphaltic concrete), vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (fully grouted stone asphalt), asphalt độn nhiều đá (open stone asphalt) để bảo vệ đê biển trong điều kiện Việt Nam. Mô hình ứng dụng thử nghiệm chỉ sử dụng dạng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc để thi công sửa chữa cho mái đê phía biển của một đoạn 50m đê biển Cồn Tròn – Hải Hậu – Nam Định để kiểm chứng và hoàn thiện các quy trình công nghệ đối với loại vật liệu này.

Các nghiên cứu thí nghiệm về các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu, tính toán thiết kế cấp phối được thực hiện tại Phòng thí nghiệm tiêu chuẩn LASXD 71 thuộc Công ty Cổ phần Thí nghiệm và Xây dựng Thăng Long và tại trạm trộn bê tông asphalt thuộc Công ty Cổ phần Xây dựng số 15 Thăng Long Các nghiên cứu thí nghiệm trong phòng được thực hiện tại hiện trường xây dựng mô hình tại đê biển Cồn Tròn – Hải Hậu – Hải Thịnh.

Các kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu cụ thể như sau: 

Trên cơ sở số liệu, tài liệu thu thập được, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu, phân tích đánh giá được thực trạng đê biển, những ưu nhược điểm, điều kiện áp dụng của các giải pháp công nghệ đã áp dụng để bảo vệ đê biển trên thế giới và của Việt Nam. Đối với vật liệu hỗn hợp asphalt bảo vệ đê biển, qua thực tiễn ứng dụng tại các nước tiên tiến trên thế giới như Anh, Đức, Mỹ, Hà Lan cho thấy loại vật liệu này có những ưu điểm như: khả năng chống xâm thực trong môi trường nước biển tốt, khả năng biến dạng, đàn hồi tốt, có thể thích ứng một cách mềm dẻo với những biến dạng, lún sụt của nền đê và thân đê, hạn chế được những lún sụt, xói lở cục bộ của đê biển, độ bền và tuổi thọ cao, v.v… Theo đó, trong điều kiện Việt Nam, để có thể ứng dụng công nghệ này vào thực tế cần thiết phải nghiên cứu hoàn thiện các công đoạn từ thiết kế thành phần cấp phối vật liệu, nghiên cứu quy định yêu cầu kỹ thuật đối với các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu hỗn hợp asphalt, quy trình công nghệ tính toán thiết kế, thi công, quản lý vận hành, bảo dưỡng đến việc đánh giá tác động đến môi trường phù hợp với điều kiện tự nhiên, trình độ công nghệ của Việt Nam.

Trên cơ sở nghiên cứu phân tích lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu các thuộc tính cơ lý cơ bản của 3 loại vật liệu hỗn hợp asphalt gồm:bê tông asphalt, vật liệu hỗn hợp asphalt nhiều đá, vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc. Đã xây dựng được quy trình sản xuất vật liệu hỗn hợp asphalt bảo vệ đê biển đối với 3 dạng vật liệu hỗn hợp trên, trong đó: 1) đã xây dựng được phương pháp thí nghiệm vật liệu đầu vào, vật liệu hỗn hợp asphalt đầu ra; 2) quy định được yêu cầu kỹ thuật các chỉ tiêu cơ lý cơ bản đối với vật liệu đầu ra có xét đến điều kiện khí hậu Việt Nam và điều kiện làm việc của kết cấu, theo đó các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu hỗn hợp asphalt đối với mái đê thí nghiệm ở nhiệt độ 27±2oC, đối với mặt đê thực hiện ở nhiệt độ 60±2oC, đây là vật đề cốt yếu bởi tính chất cơ lý của vật liệu hỗn hợp asphalt rất “nhạy cảm” với sự thay đổi của nhiệt độ; 3) xây dựng được quy trình trộn đối với các dạng vật liệu hỗn hợp asphalt; 4) Đã nghiên cứu phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý quan trọng của vật liệu hỗn hợp asphalt và phương pháp xác định mô đun đàn hồi, mô đun độ cứng, độ ổn định, biến dạng dư, đặc tính mỏi của vật liệu, đây là những thông số đầu vào quan trọng phục vụ tính toán kết cấu lớp bảo vệ đê biển. Các kết quả thí nghiệm thực nghiệm cho thấy các quy trình thí nghiệm, quy trình trộn và các chỉ tiêu cơ lý quy định đối với vật liệu đầu vào và vật liệu hỗn hợp asphalt đầu ra của ba dạng nêu trên là hợp lý.

Trên cơ sở kế thừa kinh nghiệm tính toán, thiết kế của các nước tiên tiến trên thế giới đã áp dụng thành công loại công nghệ này để bảo vệ đê biển, đồng thời phân tích đánh giá những điều kiện thực tế tại Việt Nam (điều kiện về tự nhiên, thời tiết, khí khậu, trình độ kỹ thuật, công nghệ, đặc điểm đê biển Việt Nam), nhóm nghiên cứu đã xây dựng được phương pháp tính toán các dạng kết cấu lớp bảo vệ đê biển bằng vật liệu asphalt phù hợp với điều kiện nước ta, trong đó đã quy định được phạm vi ứng dụng của 3 dạng vật liệu hỗn hợp asphalt nêu trên, đề xuất phương pháp tính toán kết cấu lớp gia cố bảo vệ mái đê biển bao gồm: Tính toán kết cấu lớp bảo vệ đảm bảo điều kiện không bị trượt và không bị đẩy nổi với cả lớp gia cố mái đê và chân đê; Tính toán kết cấu lớp gia cố mái đê đảm bảo điều kiện tác động của sóng, trong đó đặc biệt quan tâm tính toán đến vấn đề lớp gia cố không thấm bị đẩy cong dưới tác động của sóng dội; Tính toán kết cấu lớp bảo vệ mái đê và chân đê dưới tác động của hiện tượng lún, xói không đều; Đề xuất được công thức tính toán chiều dày lớp gia cố và hệ thống biểu đồ lập sẵn để tra cứu. Các nội dung tính toán khác như: tính toán ổn định tổng thể, tính toán kết cấu thân đê, nền đê, kết cấu mặt đê do không có đặc điển gì khác biệt so với các phương pháp tính toán hiện hành do đó sẽ vận dụng phương pháp tương tự.

Đề tài đã xây dựng được quy trình công nghệ thi công 3 dạng vật liệu hỗn hợp asphalt gồm: bê tông asphalt, vật liệu hỗn hợp asphalt nhiều đá, vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam. Quy trình đã thể hiện được các bước triển khai và các nội dung công việc cần làm tại hiện trường để thi công loại vật liệu hỗn hợp này tại hiện trường, trong đó đặc biệt chú ý đến điều kiện thực tế Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã đề xuất định hướng biện pháp tổ chức thi công tại hiện trường với những trường hợp cụ thể như: Đối với những khu vực đê nhỏ, tuyến cong giao thông không thuận tiện nên sử dụng các thiết bị nhỏ, trạm trộn di động; Đối với khu vực tuyến đê kết hợp giao thông, đê lớn, gần các khu đô thị, công nghiệp nên sử dụng thiết bị thi công cơ giới lớn, vật liệu hỗn hợp được trộn tại các trạm trộn cố định công suất lớn và vận chuyển đến hiện trường bằng thiết bị chuyên dụng; Đối với các tuyến đê đã được bồi trúc từ nhiều năm, nền và thân đê ổn định thiết bị thi công như máy đào, máy đầm có thể cho phép di chuyển trực tiếp trên mái đê; Đối với những tuyến đê mới, nền chưa ổn định có thể sử dụng máng rót hoặc cẩu rót hỗn hợp asphalt vào trong đá hộc, sử dụng thiết bị đầm công suất nhỏ để có thể đi trên mái đê, v.v…

Đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình kiểm tra chất lượng thi công vật liệu hỗn hợp asphalt bảo vệ đê biển, trong từng công đoạn thi công đã mô tả nội dung công việc chi tiết cần thực hiện, đề xuất được các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt, khối lượng cần kiểm tra, phương pháp, phương tiện kiểm tra đối với các loại vật liệu hỗn hợp asphalt thường dùng để gia cố đê biển.

Đã xây dựng được quy trình công nghệ quản lý, bảo dưỡng và sửa chữa đê biển sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt trong đó đã: 1) Quy định được các thành phần công việc cần phải thực hiện trong công tác quản lý, chỉ ra được những nguyên nhân hư hỏng lớp bảo vệ đê biển dưới tác động của các yếu tố bên ngoài như sóng, dòng, áp lực đẩy nổi, lún, xói, mất ổn định mái đê, các hoạt động của con người; 2) Đề xuất các biện pháp phòng ngừa từ thiết kế đến việc phát hiện sớm hư hỏng trong quá trình làm việc, quy định những giới hạn tác động của hoạt động con người đối với lớp gia cố; 3) Phân loại các dạng hư hỏng thường gặp và mô tả chi thiết phương pháp sửa chữa đối với từng loại lớp bảo vệ đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt.

Kết quả ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tại mô hình thực tế (đê biển Cồn Tròn – Hải Hậu) cho thấy việc áp dụng giải pháp công ghệ này để bảo vệ những đoạn đê xung yếu của Việt Nam là khả thi, mang lại hiệu quả kỹ thuật cao, các quy trình xây dựng để áp dụng loại vật liệu này trong điều kiện nước ta là hợp lý, có thể ban hành thành tiêu chuẩn để ứng dụng rộng rãi.

Đề tài mới chỉ giới hạn nghiên cứu, tính toán thí nghiệm với đối tượng là lớp gia cố mái đê phía biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt và chỉ tập trung nghiên cứu đặc tính kỹ thuật, điều kiện áp dụng, xây dựng quy trình sản xuất vật liệu, tính toán thiết kế, thi công, kiểm tra chất lượng, quản lý bào trì đối với 3 đối tượng chính đó là bê tông asphalt, vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, asphalt độn nhiều đá để bảo vệ đê biển trong điều kiện Việt Nam. Ngoài ra đề tài chưa có điều kiện ứng dụng thử nghiệm bê tông asphalt và vật liệu hỗn hợp asphalt nhiều đá để đúc rút kinh nghiệm và chưa xem xét đến việc tính toán và thi công các dạng vật liệu hỗn hợp trên ở dưới nước cho các dạng kết cấu kè phá sóng, gia cố chân đê, v.v… và điều kiện nghiên cứu quan trắc đánh giá tuổi thọ công trình và mức độ suy giảm chất lượng theo thời gian của lớp bảo vệ đê biển bằng vận liệu hỗn hợp asphalt.

Nhóm nghiên cứu đề tài mong muốn Bộ KHCN cho phép tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ, khắc phục những tồn tại nêu trên. Và đề nghị Bộ NN&PTNT sớm xem xét ban hành các tiêu chuẩn hướng dẫn trên cơ sở các dự thảo quy trình của đề tài, xây dựng các định mức kinh tế-kỹ thuật, đồng thời cho phép ứng dụng các dạng vật liệu hỗn hợp asphalt đã nghiên cứu của đề tài để bảo vệ đê biển nước ta.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 12623-2016) tại Cục Thông tin KH&CN Quốc gia.

P.T.T (NASATI)