Ứng dụng bê tông rỗng thoát nước và kết cấu rỗng thu chứa nước trong công trình hạ tầng kỹ thuật nhằm giảm thiểu úng ngập khi mưa, điều tiết nước trong đô thị thích ứng với biến đổi khí hậu

Báo cáo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu về tính toán thiết kế, chế tạo, thi công kết cấu bê tông rỗng thoát nước (BTRTN) và kết cấu rỗng trong hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị để thu, chứa, điều hòa nước mưa hướng đến nâng cao hiệu quả quản lý nước mưa bền vững. Các kết quả này thuộc đề tài BĐKH07/16-20 thuộc Chương trình “Khoa học và công nghệ ứng phó với biến đổi khí hậu, quản lý tài nguyên và môi trường giai đoạn 2016 - 2020”.

Từ khóa: quản lý nước mưa bền vững, bê tông rỗng thoát nước (BTRTN), kết cấu rỗng thu chứa nước (KCR), kết cấu hạ tầng kỹ thuật đô thị

1. Giới thiệu

Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất thấp ven biển của Việt Nam, hiện là khu vực bị tác hại nặng nề nhất do biến đổi khí hậu (BĐKH) gây ra. Đất đai bị bạc màu, đa dạng sinh học giảm mạnh, nhiệt độ không khí tăng cao, hạn hán bất thường, và lũ lụt không theo qui luật. Diện tích đất bị xâm nhập mặn, đất bị khô hạn, nhiễm phèn ngày càng tăng. Đặc biệt, hiện nay nhiều khu vực mực nước ngầm bị hạ thấp rất lớn và hiện tượng thiếu nước ngọt phục vụ sinh họat, sản xuất đã trở nên trầm trọng do khai thác và sử dụng nước ngầm quá mức.

Sự phân bố lượng nước khi mưa

Biều đồ dòng chảy

Nhằm ứng phó với điều kiện BĐKH như hiện nay, giải pháp quản lý tổng hợp tài nguyên nước được xem là một trong những biện pháp tích cực và hiệu quả nhất; trong đó, các giải pháp quản lý bền vững nguồn nước trong các khu vực đô thị cần phải được nhấn mạnh. Vùng ĐBSCL cũng như trên toàn quốc đang có tốc độ đô thị hóa tăng nhanh gắn liền với nhu cầu phát triển hạ tầng đô thị. Đô thị hóa kéo theo quá trình bê tông hóa đã lấn chiếm sông ngòi, ao hồ, tàn phá thảm thực vật, làm thu hẹp, thay đổi dòng chảy và quá trình lưu giữ tự nhiên của nước. Các công trình kết cấu hạ tầng (đường sá, sân bãi, ..) chiếm dụng bề mặt tự nhiên đã làm giảm năng lực tiêu thoát tự nhiên, làm tăng lưu lượng dòng chảy bề mặt và giảm thẩm thấu của nước xuống lòng đất, giảm khả năng bổ sung tại chỗ nguồn nước ngầm cũng như gây đơn điệu cảnh quan, bức xạ nhiệt do bê tông hóa.

Các ý kiến chuyên gia đều thống nhất rằng cần phát triển đô thị vùng ĐBSCL theo nguyên tắc thích ứng với lũ, cần hạn chế phát triển đô thị tập trung, giành không gian chứa nước tạm thời và các kênh chuyển nước kết nối với các hồ lớn. Cần xây dựng mạng lưới nước giải quyết các vấn đề về thoát nước, lưu trữ nước bề mặt, nâng cao chất lượng nguồn nước ngầm và kết hợp với việc sử dụng nước cho hoạt động giải trí và tạo vẻ đẹp cảnh quan.

2. Giải pháp thoát nước bền vững trong công trình hạ tầng ở Việt Nam

Các giải pháp kỹ thuật quản lý nước mưa bền vững rất đa dạng, tùy thuộc vào quy mô, loại công trình để lựa chọn các giải pháp phù hợp. Bảng  dưới đây tổng hợp về khả năng áp dụng và mức độ phù hợp của các giải pháp SuDs.

Các giải pháp SuDs và khả năng áp dụng

Các giải pháp SuDs ở trên có thể được áp dụng vào các kết cấu hạ tầng kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quản lý bền vững nước mưa trong đô thị vùng ĐBSCL, nhất là các giải pháp sau:

a. Giải pháp kết cấu bề mặt thấm nước

Tổ hợp kết cấu thông thường gồm có các bộ phận chính là tầng mặt bằng vật liệu thấm, tầng móng bằng vật liệu ổn định và có độ rỗng cao để thấm nước/lưu trữ nước. Ngoài ra, để tăng cường khả năng thoát nước của đường/vỉa hè đồng thời giữ cho bề mặt không bị úng nước, tổ hợp kết cấu kết hợp với hệ thống cống ngầm thoát tràn

1- Mặt đường thoát nước (bê tông rỗng hoặc viên lát rỗng); 2- Lớp móng trên chứa nước; 3- Vải địa kỹ thuật; 4- Lớp móng dưới chứa nước; 5- Vải địa kỹ thuật hoặc vật liệu cách nước (nếu cần); 6- Nền đất; 7- Ống thoát nước chảy tràn.

(Kết cấu mặt đường, vỉa hè thấm nước có cống ngầm)

Một số loại vật liệu có thể được sử dụng để làm lớp mặt của kết cấu mặt đường/vỉa hè thấm nước như bê tông rỗng thoát nước (BTRTN), gạch block thấm nước, gạch có lỗ trồng cỏ, vỉ trồng cỏ, vỉ lấp đá, đế HDPE lát gạch có khả năng thấm nước…

Cấu tạo mặt cắt ngang đường, sân bãi sử dụng bê tông rỗng, tấm lát rỗng

Theo Viện bê tông Mỹ (ACI), bê tông rỗng thoát nước là loại bê tông không có độ sụt, dùng cấp phối hạt gián đoạn gồm có xi măng Portland, cốt liệu lớn, một lượng nhỏ hoặc không có cốt liệu nhỏ, nước và phụ gia. Bê tông rỗng thoát nước sẽ có hệ thống lỗ rỗng thông nhau có kích thước từ 2mm đến 8mm, từ đó dễ dàng cho nước chảy qua. Đỗ rỗng thay đổi từ 15% đến 35%, cường độ nén từ 2,8Mpa đến 28Mpa. Tốc độ thoát nước của bê tông rỗng thoát nước thay đổi tùy theo kích thước cốt liệu và khối lượng thể tích của hỗn hợp bê tông, và thường từ khoảng 81 đến 730 lít/phút/m2. Tại Việt Nam, nhóm tác giả đã và đang triển khai nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng thành công bê tông rỗng thoát nước nhanh.

Các dạng kết cấu thấm nước theo mức độ thâm nhập thẳng đứng (3 dạng) 

                  Một số mẫu vật liệu thấm nước dùng làm bề măt đường/vỉa hè, sân bãi

            Kết cấu điển hình sử dụng vật liệu thấm nước làm đường/vỉa hè, sân bãi

                 Kết cấu tấm lát bê tông/vỉ nhựa sân bãi dạng rỗng chèn sỏi/trồng cỏ

b. Giải pháp sử dụng kết cấu rỗng trong hệ thống hạ tầng kỹ thuật nhằm thu, chứa, điều hòa nước mưa đô thị

Hiện nay, các giải pháp kết cấu rỗng trong hệ thống hạ tầng kỹ thuật nhằm thu chứa, điều hòa nước mưa: dải trồng cây xanh, dải phân cách giao thông, rãnh thấm...

b1) Dải trồng cây xanh được hạ thấp để thu giữ nước từ mặt đường và vỉa hè, kết hợp với lớp vật liệu có độ rỗng cao (đá dăm tiêu chuẩn, cuội sỏi...) để tạo thành các dải lưu nước tạm thời.

      Ô trồng cây có đáy bằng bê tông đúc                     Ô trồng cây không đáy bằng bê tông đúc

        sẵn, thu chứa/lọc/thoát nước mưa                           sẵn, thu chứa/lọc/thoát nước mưa

   Ô trồng cây kết hợp hệ rỗng thu chứa nước                          Ô trồng cây kết hợp ga thu nước

                                 Thiết kế điển hình dải đất trồng cây lưu trữ nước

b2) Dải phân cách đường phố được hạ trũng thấp để thu nước mưa về, tại đây nước được chảy tràn khắp bề mặt với cao độ mực nước và đầu ra bị khống chế để nước chảy tràn tích trữ thẩm thấu từ từ qua lớp phủ thực vật và lớp phủ vật liệu rỗng xuống dưới kho chứa nước tạm thời. Trường hợp mưa lớn, mực nước trong dải phân cách dâng cao quá mức sẽ được thu lại qua các cửa thu nước tràn và chảy xuống nhanh chóng xuống kho chứa nước phía dưới. 

1- Đá dăm lọc; 2- Vải địa kỹ thuật; 3- Vật liệu rỗng chứa nước; 4- Vật liệu cách nước (nếu cần thiết); 5- Ống thu nước chảy tràn; 6- Cửa thu nước chảy tràn.

(Giải pháp thiết kế giải phân cách).

b3) Rãnh thấm

Rãnh thấm là các rãnh đào nông được lấp đầy bởi vật liệu rỗng (đá, cuội sỏi…) tạo ra sự lưu giữ nước mưa tạm thời, do đó tăng khả năng lưu trữ và thoát nước tự nhiên của mặt đất. Rãnh thấm có thể bố trí trên vỉa hè, giải phân cách hoặc ngay trên lề đường. Rãnh thấm giữ dòng chảy dài đủ để cho phép nó thấm vào đất nằm bên dưới. Bề mặt rãnh có thể được phủ các loại bề mặt thấm như bê tông rỗng, gạch block…. Các đường ống được đục lỗ và bọc vải địa kỹ thuật nằm trong các rãnh và bao quanh nó với đá thô làm tăng khả năng lưu trữ tạm thời của các rãnh.

1- Đá dăm lọc; 2- Vải địa kỹ thuật; 3- Vật liệu rỗng chứa nước; 4- Vật liệu cách nước (nếu cần thiết); 5- Ống thu nước chảy tràn; 6- Bó vỉa.

(Rãnh thấm bố trí trên dải phân cách).

3. Kết quả chế tạo và ứng dụng bê tông rỗng thoát nước, kết cấu rỗng thu chứa nước trong công trình đường phố, sân bãi

Sản phẩm nghiên cứu của đề tài BĐKH07/16-20

Phương án thí điểm áp dụng vào đoạn đường phố và bãi đỗ xe quy mô 500m2, sử dụng bê tông rỗng và các dạng kết cấu rỗng.

4. Hướng nghiên cứu tiếp theo và kiến nghị

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã giúp nhóm nghiên cứu làm chủ được công nghệ thiết kế, chế tạo, và thi công các kết cấu bề mặt hạ tầng sử dụng BTRTN và các kết cấu rỗng nhằm mục đích thu, chứa, và điều hòa nước mưa bền vững thuộc không gian đường phố, sân bãi.

Về hiệu quả bảo vệ môi trường của BTRTN, BTRTN khi được dùng làm mặt đường, lối đi, bãi đỗ xe…sẽ cho phép nước mưa thấm vào đất nền và thể tích lỗ rỗng của hệ kết cấu BTRTN cũng có chức năng tích chứa nước mưa tạm thời, từ đó giúp giảm dòng chảy nước mưa bề mặt, bổ sung và nâng cao chất lượng nguồn nước ngầm. Nước mưa sau khi thấm qua BTRTN hoặc thu chứa trong các KCR và ngấm vào nền đất sẽ được lọc các chất độc hại theo cơ chế tự nhiên bởi các quá trình sinh hóa trong đất trước khi bổ sung vào nguồn nước ngầm hoặc chảy ra các sông, hồ. Quá trình nước mưa ngấm vào nền đất có thể lọc được đến 80% chất cặn lắng đọng, 60% vi lượng kim loại nặng, và 65% hợp chất phốt phát. Như vậy, BTRTN, KCR được áp dụng thích hợp sẽ giúp hạn chế được ngập úng vùng đô thị, giảm lũ lụt và xói lỡ khu vực hạ lưu, nâng cao chất lượng nguồn nước, giảm gánh nặng lên các nhà máy xử lý nước và hệ thống cống thoát nước hiện có, giảm yêu cầu xây dựng hệ thống xử lý nước mưa mới…, từ đó mang tới lợi ích rất lớn về kinh tế, xã hội, và môi trường.

Để thúc đẩy triển khai các giải pháp quản lý nước mưa bền vững trong các khu đô thị trên toàn quốc, đặc biệt khu vực ĐBSCL, chúng tôi đề xuất đẩy mạnh nghiên cứu làm chủ kỹ thuật công nghệ chế tạo, thi công BTRTN đổ tại chỗ sử dụng các vật liệu địa phương, thân thiện môi trường thuộc khu vực ĐBSCL. Đẩy mạnh nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế, hiệu quả môi trường, hiệu quả xã hội khi áp dụng các giải pháp công nghệ BTRTN và kết cấu rỗng trong hạ tầng kỹ thuật đô thị nhằm thu, chứa, điều hòa nước mưa một cách bền vững cho các đô thị khu vực ĐBSCL.

Kiến nghị: Cần sớm xây dựng hành lang pháp lý, tiêu chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật và các cơ chế khuyến khích áp dụng các giải pháp quản lý nước mưa bền vững vào trong xây dựng hệ thống hạ tầng kỹ thuật đô thị tại khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long và các khu đô thị khác trong toàn quốc.

Nguồn: GS.TS. Phan Quang Minh, PGS.TS. Nguyễn Việt Phương, NCS. Nguyễn Văn Đồng, TS. Trần Quang Dũng

Trường Đại học Xây dựng, 55 Giải Phóng, Quận Hai Bà Trưng, Hà Nội

www.khcn.nuce.edu.vn