Giới thiệu một số giải pháp công nghệ mới trong công trình bảo vệ bờ sông

Phòng chống sạt lở bờ sông do lũ là một nhiệm vụ thường xuyên của nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Các giải pháp công nghệ trong công trình bảo vệ bờ sông chống lũ đã có một lịch sử phátt riển rất lâu dài và vẫn còn tiếp tục. Bên cạnh những giải pháp truyền thống đã được ứng dụng rộng rãi, nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới đã và đang triển khai cho hiệu quả tốt, giảm giá thành xây dựng, đơn giản trong thi công, thân thiện với môi trường. Bài viết giới thiệu một số xu hướng trong các giải pháp công nghệ mới đó để làm cơ sở nghiên cứu, lựa chọn ứng dụng vào điều kiện Việt Nam nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả công tác bảo vệ bờ sông chống lũ

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với lũ lụt, bão lốc; sạt lở bờ sông đang là vấn đề lớn bức xúc của nhiều nước trên thế giới.  Sạt lở bờ sông là một qui lụât tự nhiên nhưng gây thiệt hại nặng nề cho  các hoạt động dân sinh kinh tế vùng ven sông như gây mất đất nông nghiệp, hư hỏng nhà cửa, chết người, thậm chí có thể hủy hoại toàn bộ một khu dân cư, đô thị. 

Cũng như nhiều nước trên thế giới, sạt lở bờ sông cũng đang là vấn đề lớn bức xúc hiện nay ở nước ta. Sạt lở bờ diễn ra ở hầu hết các triền sông và ở hầu hết các địa phương có sông. Sạt lở bờ sông ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế và xã hội của địa phương. Ở vùng hạ lưu hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, hệ thống sông ngòi miền Trung và Đồng bằng sông Cửu Long, vì dòng sông mang nhiều bùn cát lại chảy trên một nền bồi tích rất dễ xói bồi nên quá trình xói lở - bồi đọng diễn ra liên tục theo thời gian và không gian. Xói lở và bồi đọng không chỉ diễn ra vào mùa lũ mà còn vào mùa kiệt. Đặc biệt trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 20, hiện tượng sạt lở diễn ra với chu kỳ nhanh hơn, cường độ mạnh hơn, thời gian kéo dài hơn và có nhiều dị thường.

Quá trình xói, bồi, biến hình lòng dẫn, sạt lở bờ mái sông, bờ biển trong các điều kiện tự nhiên và có tác động của con người vô cùng phức tạp. Việc xác định các nguyên nhân, cơ chế, tìm các giải pháp quy hoạch, công trình nhằm phòng, chống và hạn chế tác hại của quá trình sạt lở là việc làm có ý nghĩa rất lớn đối với sự an toàn của các khu dân cư, đô thị, đối với công tác quy hoạch, thiết kế và xây dựng các đô thị mới. Quá trình nghiên cứu các giải pháp bảo vệ bờ sông trên Thế giới đã được thực hiện liên tục trong hàng thập kỷ qua. Nhiều giải pháp công nghệ bảo vệ bờ sông chống xói lở đã được đưa ra và đạt được những hiệu quả nhất định trong việc hạn chế xói lở, bảo vệ an toàn cho dân cư và hạ tầng cơ sở ven sông. Cho đến nay, việc nghiên cứu các giải pháp  công nghệ mới, cải tiến giải pháp công nghệ cũ nhằm nâng cao hơn nữa công tác bảo vệ bờ sông chống sạt lở vẫn đang được tiếp tục.

Ở Việt Nam, để đối phó với hiện tượng sạt lở bờ sông, hàng năm đã phải đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để xây dựng các công trình bảo vệ bờ sông trên khắp cả nước. Tuy nhiên về công nghệ sử dụng để xây dựng các công trình này vẫn chủ yếu dựa vào giải pháp truyền thống, thiên về các loại hình kết cấu vật liệu cổ điển như kè lát mái, kè mỏ hàn bằng đá hộc, đá xây, tấm bêtông đơn giản. Tiêu chuẩn 14TCN 84-91- Qui trình thiết kế công trình bảo vệ bờ sông chống lũ của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã ban hành cách đây 20 năm và cũng chỉ mới hướng dẫn qui trình cho các loại công trình truyền thống như trên.

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, nhiều nghiên cứu mới ứng dụng các thành tự khoa học công nghệ tién tiến trong các ngành vật liệu, kết cấu xây dựng để tăng cường hiệu quả bảo vệ bờ sông đã được tiến hành, thử nghiệm và đưa vào sử dụng rộng rãi, thay thế, bổ sung cho các giải pháp truyền thống. Một số ít trong đó đã được ứng dụng thử nghiệm ở Việt Nam. Vì vậy việc nghiên cứu cập nhật, ứng dụng các công nghệ mới trong công trình bảo vệ bờ sông chống lũ vào điều kiện thực tế ở Việt Nam là một yêu cầu cấp bách và có ý nghĩa thực tiễn cao.

2. NHỮNG XU HƯỚNG GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ MỚI TRONG CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ SÔNG CHỐNG LŨ

2.1. Ứng dụng vật liệu mới

2.1.1. Sử dụng các sản phẩm từ sợi tổng hợp có cường độ cao

Trong những năm gần đây, theo sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa chất, các loại vải, dây được sản xuất bằng sợi tổng hợp Polymer được sử dụng rộng rãi trong công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển như các loại vải địa kỹ thuật làm tầng lọc, cốt cho đất đắp, các thảm, ống, túi vải độn vật liệu chống xói đáy, bảo vệ chân và mái bờ sông...

Hình 1. Trải vải  địa kỹ thụât là tầng lọc mái kè

a. Sử dụng vải địa kỹ thuật làm lớp lọc và lớp đệm

Vải địa kĩ thuật được chọn để thay thế tầng lọc ngược truyền thống, có thể xúc tiến nhanh tiến độ thi công, tiết kiệm đầu tư, đồng thời do khả năng lọc của vải địa kĩ thuật được sản xuất công nghiệp hóa vì vậy càng đảm bảo chất lượng lọc của công trình.

b. Sử dụng vải địa kỹ thụât để gia cường nền đất thân kè gia cố , thân mỏ hàn đất

Khi các công trình kè gia cố mái, mỏ hàn bằng đất đắp có chiều cao đất đắp lớn, có thể dẫn đến khả năng trượt mái hoặc chuyển vị ngang của đất đắp, vải địa kĩ thuật có thể đóng vai trò cốt gia cường cung cấp lực chống trượt theo phương ngang nhằm gia tăng ổn định của mái dốc. Trong trường hợp này vải địa có chức năng gia cường

c.Các loại thảm bảo vệ mái và chống xói đáy

Hình 2. Một số loại thảm bêtông túi khuôn

Hình 3. Kết cấu thảm FS

 Để tăng cường tính ổn định và mềm dẻo của khối bảo vệ mái, từ lâu đã có nhiều nghiên cứu chế tạo các loại thảm được chế tạo từ vải địa kỹ thụât, vải bằng sợi tổng hợp có cường độ cao, sợi nilon...để chứa bêtông hoặc chứa đất, cát làm thảm bảo vệ mái bờ sông và chống xói đáy chân bờ sông như là thảm phủ bằng vải địa kỹ thụât,  thảm bêtông túi khuôn, thảm túi cát, ống, túi địa kỹ thụât....  

Một dạng khác của thảm bêtông túi khuôn là thảm bê tông FS cũng là dạng thảm bêtông túi khuôn đ­ược may bằng sợi tổng hợp  có độ bền cao. Thảm được trải lên mái  công trình sau đó dùng bơm có áp đẩy vữa bê tông vào các túi nhỏ trên thảm, thảm có chiều dày 10cm ¸ 25cm. Sau khi bê tông cứng sẽ tạo thành một tấm thảm hoàn toàn cứng, giữa các túi nhỏ biến thành các tấm bê tông phủ kín mái công trình.

Tương tự với loại trên nhưng tiết kiệm hơn là loại túi cát ni lông hoặc sợi tổng hợp có độ bền cao chứa cát. Hiện nay ở Mỹ, Trung Quốc, Nhật đã sử dụng.

Ở Việt Nam,  Tiến sỹ Trịnh Công Vấn – TP Hồ CHí Minh đã nghiên cứu ứng dụng loại kết cấu này vào một đoạn bờ sông Sài Gòn – chân cầu Bình Phước và cho kết quả khá tốt.

Hình 4. Thảm túi cát và kè bằng thảm túi cát  ở bờ sông Sài Gòn

- Các ống địa kỹ thuật (Geo-Tube hoặc Geocontainer)

Các loại ống địa kỹ thụât (GeoTube) được chế tạo bằng vải địa kỹ thụât cường độ cao để chứa đất, cát tạo thành những cấu kiện được xếp chồng lên nhau.dùng để gia cố chân, mái bờ, lòng sông hoặc làm kè mỏ hàn. Phía ngoài các GeoTube có thể được phủ bằng các vật liệu như đất, cát, đá hộc để tăng cường ổn định và bảo vệ ống

- Các túi địa kỹ thuật ( Bagwork)

Các loại túi địa kỹ thụât được chế tạo bằng vải địa kỹ thụât cường độ cao để chứa đất, cát hoặc bêtông tạo thành những cấu kiện dùng để gia cố chân, mái bờ, lòng sông. Các túi có kích thước nhỏ được chế tạo như chiếc gối thường được ghép nối với nhau bằng các khớp nối nhựa . Loại túi có kích thước lớn, độc lập thường được xếp chồng lên nhau. 

Hình 5. Kè bằng GeoTube	Hình 6. Một loại túi địa kỹ thuật

2.1.2. Ứng dụng nhựa uPVC chế tạo tấm cừ nhựa

Hình 7. Bảo vệ bờ bằng cừ Lasen bản nhựa

uPVC là một Polyvinyl Chlorua chưa được nhựa hoá là loại vật liệu khá mới có độ bền cao, chịu được va đập mạnh, không bị oxy hóa, không bị co ngót, không bị biến dạng theo thời gian và đã được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghịêp, xây dựng. Một sản phẩm của loại vật liệu này là tấm cừ nhựa được bắt nguồn từ Mỹ và ứng dụng trong xây dựng trong đó có công trình bảo vệ bờ sông.

2.1.3. Công nghệ bêtông Miclayo sử dụng phụ gia CSSB

Đây là sản phẩm TS Nguyễn Hồng Bỉnh, phó chủ tịch Hội Khoa học kỹ thuật xây dựng TP.HCM. Bêtông Miclayo  được chế tạo từ đá đủ loại (đá bụi, đá mi, sành sứ và gạch bể...), đất cát đủ loại (thô hoặc mịn), nước đủ loại (nước phèn, nước lợ và thậm chí cả nước biển kết hợp  chất phụ gia CSSB. Chất phụ gia này có khả năng “trục xuất” các thành phần sét và muối trong đất ra bề mặt nhờ cơ chế điện lý hoá, tạo hiệu quả làm tăng tính kết dính các nguyên vật liệu thành một khối trơ chịu lực tốt và không trương nở. Sản phẩm mới được thử nghiệm ở khu sinh thái biển Hòn Ngọc Phương Nam – Cần Giờ - TP Hồ Chí Minh.

2.2. Cải tiến cấu kiện và kết cấu công trình

Để nâng cao hiệu quả các loại hình công trình cơ bản, nhiều nghiên cứu đã tập trung cải tiến các cấu kiện, kết cấu tổng thể công trình theo hướng linh hoạt, bền vững, thụân tiện cho thi công. Cụ thể

2.2.1. Cải tiến thảm thanh và tấm bêtông đơn giản liên kết bằng thanh thép bằng thẩm khối bê tông phức hình hoặc liên kết dây mềm.

Hình 8. Thảm tấm bêtông liên kết bằng dây nilon chống xói đáy ở sông Trường Giang – Trung Quốc

Thảm bê tông bằng các khối bêtông phức hình là loại thảm sử dụng các khối bê tông liên kết chúng lại với nhau bằng móc nối, dây nilon...Kết cấu loại này đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước như Đan Mạch, Trung Quốc, Nhật Bản...để chống xói đáy và bảo vệ mái bờ.

Ở Việt Nam, gần đây công ty TNHH Tư vấn công nghệ kè bờ Minh Tác đã cho ra đời thảm bê tông tự chèn đan lưới. Thảm đã được ứng dụng thành công tại An Giang và một số công trình ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. 

Hình 9. Kè lát mái bằng thảm tấm bêtông

2.2.2. Cải tiến các loại rồng, rọ

Rồng, rọ là cấu kiện được sử dụng khá rộng rãi trong bảo vệ mái và chống xói đáy do tính linh hoạt, mềm dẻo của nó. Rồng truyền thống thường được chế tạo bằng vỏ tre, lưới thép, lõi bằng đất hoặc đá. Gần đây đã có những nghiên cứu cải tiến kết cấu lõi rồng, sử dụng các lưới sợi nilon, sợi tổng hợp làm vỏ rồng, chế tạo thảm đá lưới thép... cho kết quả khá khả quan.

a. Cải tiến rồng đá vỏ thép

Ở Việt Nam, trong khuôn khổ dự án Phát triển đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2 năm 2006 đã mạnh dạn thử nghiệm cải tiến rồng thép từ lõi đá hộc chuyển sang lõi bằng vật liệu có tầng lọc bằng vải lọc, cát, đá dăm và đá hộc ở kè Ngăm Mạc – Thái Bình

a. Rồng truyền thống  và  b. Rồng cải tiến

Hình 10. Cải tiến kết cấu lõi rồng vỏ lưới thép

b. Thảm rồng đá bằng túi lưới (Rock Rolls)

Thảm rồng đá bằng túi lưới được sử dụng rộng rãi ở Anh. Đá hộc được bọc trong các túi lưới tạo nên tấm thảm và được đặt dưới chân bờ để chống xói. Loại thảm này rất linh hoạt, mềm dẻo và tạo được các kẽ hở thụân lợi để thực vật mọc lên, tăng cường ổn định chân bờ. Có thể sử dụng các loại đá có kích thước nhỏ hơn so với đá để tạo rọ đá. Độ bền của loại thảm này phụ thuộc vào vật liệu làm túi lưới.

Hình 11. Các rồng đá túi lưới đơn	Hình 12. Thảm rồng đá túi lưới

c. Thảm đá

Thảm đá (RENO MATTRESS) được chế tạo tại chỗ trên mái bờ bằng cách liên kết các vỏ rọ đá lại với nhau trước khi hoàn thiện rọ đá. Thảm rọ đá được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó nổi bật có sản phẩm thảm rọ đá của hãng Maccaferri.

Hình 13. Thảm đá bảo vệ bờ sông

2.2.3. Cải tiên các khối bêtông lát mái

Hình 14. Khối Amorloc

Ngoài đá hộc, các khối bêtông rời dùng để bảo vệ mái bờ sông được dùng khá phổ biến. Các loại khối thông dụng có thể kể đến khối hình vuông đơn giản, hình lục giác...Phần lớn các khối này không liên kết với nhau và tạo nên một mặt phẳng kín nước trên lớp lọc bằng đá dăm và vải lọc. Ưu điểm của loại kết cấu này là giảm tác dụng của sóng, dòng chảy vào vật liệu được bảo vệ phía dưới nhưng lại dễ bị hư hỏng cục bộ, có một diện cản lớn khi chịu tác động của áp lực âm khi dòng chảy rút trên mái và không có khe hở để các loại thực vật sinh sống. Để cải tiến, khắc phục nhưng yếu điểm trên, những năm gần đây xuất hịên một số loại khối bêtông rỗng, liên kết trên mặt bằng khá linh hoạt và có tính thẩm mỹ cao, có thể tạo thành thảm tấm bêtông như khối Amorloc, Amorflex,  Amorstone, Terrafix, khối Flex – Slab, khối TAC, thảm tấm  bêtông có cốt dẫn P.Đ. TAC CM của TS Phan Đức Tác.

Hình 15. Cấu tạo khối Hydroblock

Có một xu hướng khá độc lập, khác với xu hướng trên đã được các nhà kỹ thụât Hà Lan nghiên cứu và ứng dụng trong công trình bảo vệ bờ sông và biển. Theo hướng nghiên cứu này, thay vì tăng cường kết nối các tấm bêtông, giảm chiều dày và khối lượng các nhà kỹ thụât Hà Lan lại quan tâm đến tính ổn định của tấm bêtông theo thông số chiều dày tấm và có xu hướng giảm nhỏ kích thước tiết diện mặt cắt của tấm. Theo kết quả nghiên cứu, cải tiến này làm cho tấm bêtông ổn định hơn do chiều dày tấm khá lớn nhưng khối lượng trình lại tăng lên nhiều lần. Một trong những khối dạng này đang ứng dụng phổ biển ở Hà La là khối Hydroblock.

2.2.4. Ứng dụng công nghệ bêtông ứng suất trước chế tạo cọc ván BTCT ứng suất trước

Tường đứng thường được sử dụng bằng kết cấu có khả năng chịu tải trọng ngang lớn như cọc ván bê tông cốt thép ứng suất trước, hiện nay loại kết cấu này ứng dụng khá phổ biến để bảo vệ bờ sông vùng đồng bằng Nam Bộ

2.2.5. Cải tiến kết cấu công trình mỏ hàn

a. Công trình dạng Panô

Công trình dạng Panô là một loại công trình xuyên nước, tạo thành bởi các cấu kiện BTCT dạng bình phong. Nó tiếp thu được những ưu điểm của các loại công trình cọc gỗ và loại công trình rọ đá, đồng thời khối lượng duy tu nhỏ, kiên cố và bền. Dùng công trình dạng Panô làm đập dọc, mỏ hàn đều có tác dụng cản dòng gây bồi, bảo vệ bãi và lái dòng chảy.

b. Công trình cọc ống BTCT

Đây là loại công trình sử dụng các cọc ống BT để tạo thành thân mỏ. Loại công trình này đã được ứng dụng ở Trung Quốc và Băngladet. Qua quá trình vận hành thực tế  cho thấy loại công trình cọc ống này có tác dụng đẩy dòng, đã khống chế một cách cơ bản thế sông và xu thế sạt lở bờ, có tác dụng cản dòng gây bồi rõ rệt.

Hình 16. Kè mỏ hàn bằng hai hàng cọc ống BTCT trên sông Brahmaputra – Jamuna – Băngladet

c. Công trình kè đảo chiều hoàn lưu

Kè đảo chiều hoàn lưu làm việc trên nguyên tắc thiết bị tạo hoàn lưu Potabôp nhưng tác động dòng chảy theo chiều ngược lại: đón dòng nước mặt có động năng lớn, đẩy sang bờ đối diện với bờ lở, để dòng chảy đáy mang nhiều bùn cát buộc phải đi vào bờ lở để lấp hố sâu.

Đây là Công trình nghiên cứu của GS. Lương Phương Hậu và PGS. Lê Ngọc Bích cùng các cộng sự, lần đầu tiên nghiên cứu và được xây dựng ứng dụng để bảo vệ bờ sông Dinh phía thị xã Phan Rang (tỉnh Ninh Thuận) cho kết quả rất tốt và vượt qua khả năng dự báo của chính các tác giả.

Hình 17. Công trình bảo vệ bờ sông Cái Phan Rang (Ninh Thuận) bằng hệ thống công trình hoàn lưu

d. Kè mỏ hàn chữ G  ngắt quãng (Island groyne)

Đây là một kết quả nghiên cứu mới nhất của các nhà khoa học Hà Lan và đã giành được giải thưởng Thiết kế cạnh tranh ở Hà Lan năm 2006. Kết cấu của mỏ hàn này dựa trên cơ sở mỏ hàn chữ L nhưng có ngắt quãng một đoạn giữa mũi và thân mỏ hàn. Khoảng ngắt quả nàu không những làm giảm phần dòng chảy bị chắn và làm cho dòng chảy mang bùn cát dễ dàng vượt qua thân mỏ hàn, gây bồi lắng ngay sau thân mỏ hàn.

Hình 18. Kè mỏ hàn chữ G ngắt quãng

đ. Công trình kè mỏ hàn, đập hướng dòng bằng rọ, thảm đá lưới thép

Hình 19. Kè mỏ hàn bằng rọ đá

Rọ đá, thảm đá đã được sử dụng khá lâu trong công trình kè lát mái và kè mỏ hàn nhưng mới chỉ đóng góp vai trò là một bộ phận hộ chân, thảm chống xói của công trình. Tuy nhiên rọ đá, thảm đá cũng có rất nhiều ưu điểm và có thể độc lập tạo nên một công trình kè mỏ hàn, đập hướng dòng hoàn chỉnh và có hiệu quả như các loại công trình cứng truyền thống.

2.3. Sử dụng các loại thực vật thân thiện với môi trường (kỹ thụât mềm

Kỹ thuật 'Mềm', hoặc công nghệ sinh học là sử dụng thực vật thích hợp để giữ lại bờ sông, nó ít tốn kém và cung cấp nhiều lợi ích.

Sử dụng các loại thực vật bảo vệ bờ sông có những lợi ích sau:

- Cải thiện môi trường sống của động vật hoang dã và cá sinh sản
- Tạo cảnh quan môi trường

- Có chi phí đầu tư thấp

Hình 20. Trồng cỏ Vetiver bảo vệ bờ sông

Mặc dù thực vật từ lâu đã được sử dụng để tăng cường ổn định bờ, chống sạt lở. Trong các giải pháp truyền thống, các con rồng, bè chìm bằng cành cây, gốc cây của các loại như tre, liễu… được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trước khi sử dụng ồ ạt các giải pháp công nghệ “Cứng” như bêtông, đá hoá các bờ sông. Tuy nhiên gần đây nhiều nước trên Thế giới đã nhận thức được yêu cầu bảo vệ bờ sông phải hài hoà với môi trường tự nhiên nên phần nào hạn chế công nghệ “cứng” và có xu hướng quay trở lại với công nghệ “mềm” với nhiều cải tiến kỹ thuật kết hợp với các sản phẩm công nghịêp nhưng cũng gần gũi môi trường để làm tăng hiệu quả của giải pháp công nghệ này.

Một trong những giải pháp của công nghệ mềm là nghiên cứu lựa chọn những loại thực vật có khả năng sống tốt, sống khoẻ trong điều kiện ngập nước thường xuyên hoặc ở khu vực mái bờ chịu sự dao động của nước để trồng ở bờ sông nhằm chống sang, sạt lở bờ. Trong đó điển hình là cỏ Vetiver. Cỏ vetiver có bộ rễ ăn sâu 1 – 4m, khả năng chịu tác động của môi trường ven sông tốt, tốc độ tăng trưởng nhanh nhưng không gây hại đến các loại cây khác xung quanh.

Ngoài ra, loại kè bằng thực vật cũng đang được ứng dụng ngày càng nhiều hơn do vừa đơn giản trong thi công, thân thiện môi trường. Một trong những loại kè này là sử dụng các cây có khả năng chịu nước cao để làm cấu kiện thân kè như cây liễu, cây cừ tràm... Sự kết hợp với các loại vải địa kỹ thuật trong kè bằng thực vật cũng cho hiệu quả rất cao. Đã có hẳn những công ty lớn chuyên cung cáp các sản phẩm và giải pháp công nghệ từ thực vật để bảo vệ bờ sông chống lũ như Công ty EnviroForm, tổ chức JPR Environmental của Anh.

Hình 21. Kè kết hợp các loại vải địa kỹ thuật và bằng thực vật