Tổng quan nghiên cứu

Đập vật liệu địa phương là loại hình công trình thủy lợi phổ biến tại Việt Nam, chiếm trên 70% tổng số đập trên thế giới. Theo báo cáo ngành, khoảng 35-40% các sự cố hư hỏng đập vật liệu địa phương xuất phát từ hiện tượng thấm qua thân và nền đập, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn và tuổi thọ công trình. Đặc biệt, trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt với hạn hán và lũ lụt thường xuyên như ở Việt Nam, việc kiểm soát dòng thấm là yếu tố sống còn để đảm bảo ổn định và hiệu quả khai thác các hồ chứa nước.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của hàm lượng Bentonite đến tính thấm của tường hào xi măng - Bentonite, từ đó đề xuất giải pháp chống thấm tối ưu cho đập chính hồ chứa nước Tân Dân, xã Thiện Kế, huyện Sơn Dương, tỉnh Tuyên Quang. Nghiên cứu tập trung vào các loại tường hào xi măng - Bentonite ứng dụng trong phạm vi đập đất và nền đập, với thời gian khảo sát và thí nghiệm trong giai đoạn 2016-2017.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ bền, giảm thiểu rủi ro thấm gây mất ổn định đập, đồng thời tối ưu chi phí thi công và bảo trì. Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế và thi công tường hào chống thấm Bentonite tại Việt Nam, hỗ trợ phát triển bền vững ngành thủy lợi trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Định luật Darcy về dòng thấm: Mô tả mối quan hệ giữa vận tốc thấm và gradient thủy lực trong môi trường đa poro, là cơ sở để xác định hệ số thấm của vật liệu.
  • Tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb: Áp dụng để đánh giá cường độ chống cắt và ổn định trượt của đất và hỗn hợp xi măng - Bentonite.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm SEEP/W để mô phỏng dòng thấm và phân tích áp lực thấm trong đập, giúp đánh giá hiệu quả của tường hào chống thấm.
  • Khái niệm chính: Tường hào xi măng - Bentonite, hệ số thấm (k), hàm lượng Bentonite, phụ gia tro bay, cường độ vật liệu, biến dạng co ngót và trương nở.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm vật liệu Bentonite và xi măng phổ biến trên thị trường Việt Nam, cùng phụ gia tro bay Pha Lại. Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm địa kỹ thuật Viện Thủy công - Trường Đại học Thủy lợi, với cỡ mẫu gồm 9 cấp phối khác nhau về tỷ lệ Bentonite, xi măng, tro bay và cát.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Thí nghiệm xác định hệ số thấm theo tiêu chuẩn TCVN 8723:2012, sử dụng phương pháp cột nước thay đổi để đo hệ số thấm của mẫu hỗn hợp.
  • Thí nghiệm bảo dưỡng mẫu ở ba trạng thái: khô, ẩm và bão hòa nhằm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến tính thấm.
  • Phân tích số liệu thí nghiệm kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm SEEP/W để tính toán áp lực thấm và đánh giá hiệu quả tường hào.
  • Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2016 đến tháng 5/2017, bao gồm giai đoạn thu thập vật liệu, thí nghiệm, phân tích và ứng dụng thực tế tại đập Tân Dân.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng Bentonite đến hệ số thấm:
    Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tăng hàm lượng Bentonite từ 35 kg lên 60 kg trong hỗn hợp xi măng - Bentonite, hệ số thấm giảm đáng kể từ khoảng 1,0×10⁻⁵ cm/s xuống còn 5,2×10⁻⁷ cm/s, tương đương giảm hơn 95%. Điều này chứng tỏ Bentonite đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng chống thấm của tường hào.

  2. Tác động của phụ gia tro bay và cát:
    Việc bổ sung tro bay với tỷ lệ từ 100 kg đến 200 kg và cát từ 0% đến 40% trong hỗn hợp đã làm tăng độ đặc chắc và giảm hệ số thấm trung bình khoảng 20-30% so với mẫu không có phụ gia. Tro bay giúp lấp đầy các lỗ rỗng nhỏ, tăng cường liên kết vật liệu.

  3. Ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng:
    Mẫu được bảo dưỡng ở trạng thái bão hòa có hệ số thấm thấp hơn khoảng 15% so với mẫu bảo dưỡng ở trạng thái khô hoặc ẩm, cho thấy điều kiện bảo dưỡng ảnh hưởng tích cực đến tính chống thấm của tường hào.

  4. Ứng dụng thực tế tại đập Tân Dân:
    Mô phỏng bằng phần mềm SEEP/W cho thấy tường hào xi măng - Bentonite với hàm lượng Bentonite tối ưu giúp giảm áp lực thấm trên thân đập khoảng 40% so với phương án không có tường chống thấm, đồng thời đảm bảo hệ số an toàn trượt mái đập đạt trên 1,5, vượt yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm hệ số thấm khi tăng hàm lượng Bentonite là do đặc tính trương nở và khả năng lấp kín các lỗ rỗng của Bentonite, tạo thành lớp màng bùn bảo vệ vững chắc trên bề mặt tường hào. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu Bentonite trong chống thấm đập đất.

Việc bổ sung tro bay và cát không chỉ cải thiện tính chống thấm mà còn tăng cường tính cơ học, giúp tường hào ổn định hơn trong quá trình thi công và khai thác. Điều kiện bảo dưỡng bão hòa giúp vật liệu đạt cường độ tối ưu, giảm co ngót và nứt nẻ, từ đó nâng cao hiệu quả chống thấm.

Mô hình tính toán phần tử hữu hạn cung cấp công cụ đánh giá chính xác áp lực thấm và ổn định đập, hỗ trợ thiết kế tường hào phù hợp với điều kiện địa chất và thủy lực thực tế. Biểu đồ so sánh hệ số thấm theo hàm lượng Bentonite và phụ gia có thể minh họa rõ ràng xu hướng giảm thấm, đồng thời bảng số liệu áp lực thấm và hệ số an toàn trượt thể hiện hiệu quả ứng dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hàm lượng Bentonite trong hỗn hợp xi măng - Bentonite:
    Khuyến nghị sử dụng hàm lượng Bentonite từ 55-60 kg/m³ để đạt hệ số thấm thấp nhất, đảm bảo hiệu quả chống thấm và ổn định tường hào trong vòng 6 tháng đầu thi công.

  2. Bổ sung phụ gia tro bay và cát hợp lý:
    Đề xuất tỷ lệ tro bay 100-150 kg/m³ và cát 20-30% để tăng cường tính cơ học và giảm chi phí vật liệu, áp dụng trong vòng 3 tháng đầu thi công để đảm bảo độ đồng nhất hỗn hợp.

  3. Quy trình bảo dưỡng mẫu và công trình:
    Áp dụng bảo dưỡng trong điều kiện bão hòa ít nhất 28 ngày để tăng cường cường độ và giảm co ngót, đồng thời kiểm soát độ ẩm trong quá trình thi công nhằm duy trì tính ổn định tường hào.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế:
    Khuyến khích các đơn vị thiết kế và thi công áp dụng phần mềm SEEP/W hoặc tương đương để mô phỏng dòng thấm và áp lực thấm, giúp lựa chọn kích thước và vị trí tường hào phù hợp trong vòng 1 năm tới.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công:
    Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật thi công tường hào Bentonite cho đội ngũ kỹ sư và công nhân trong 6 tháng tới, nhằm đảm bảo quy trình thi công đúng kỹ thuật, giảm thiểu sai sót và tăng tuổi thọ công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi:
    Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán giúp thiết kế tường hào chống thấm hiệu quả, giảm thiểu rủi ro thấm gây mất ổn định đập.

  2. Nhà thầu thi công đập đất:
    Tham khảo quy trình thi công, lựa chọn vật liệu và kỹ thuật bảo dưỡng để nâng cao chất lượng công trình, giảm chi phí sửa chữa và bảo trì.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật và thủy lực:
    Sử dụng kết quả thí nghiệm và mô phỏng để đánh giá tính ổn định và an toàn của đập, đồng thời phát triển các giải pháp kỹ thuật mới trong lĩnh vực chống thấm.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách:
    Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định thi công và bảo trì đập, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao Bentonite lại quan trọng trong tường hào chống thấm?
    Bentonite có khả năng trương nở khi tiếp xúc với nước, tạo lớp màng bùn kín các lỗ rỗng, giảm hệ số thấm đáng kể, giúp tường hào chống thấm hiệu quả.

  2. Hàm lượng Bentonite ảnh hưởng thế nào đến tính thấm?
    Tăng hàm lượng Bentonite làm giảm hệ số thấm, tuy nhiên vượt quá mức tối ưu có thể gây khó khăn trong thi công và tăng chi phí.

  3. Phụ gia tro bay có vai trò gì trong hỗn hợp?
    Tro bay giúp lấp đầy các lỗ rỗng nhỏ, tăng cường liên kết vật liệu, giảm hệ số thấm và cải thiện tính cơ học của tường hào.

  4. Phương pháp thí nghiệm nào được sử dụng để đo hệ số thấm?
    Phương pháp cột nước thay đổi theo tiêu chuẩn TCVN 8723:2012 được áp dụng để xác định hệ số thấm của mẫu hỗn hợp trong phòng thí nghiệm.

  5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng thi công tường hào Bentonite?
    Cần tuân thủ quy trình trộn vật liệu, bảo dưỡng mẫu, kiểm soát độ nhớt và tỷ trọng dung dịch Bentonite, đồng thời sử dụng thiết bị thi công chuyên dụng và đào tạo nhân lực kỹ thuật.

Kết luận

  • Nghiên cứu xác định rõ mối quan hệ giữa hàm lượng Bentonite và hệ số thấm của tường hào xi măng - Bentonite, với hệ số thấm giảm hơn 95% khi tăng hàm lượng Bentonite lên mức tối ưu.
  • Bổ sung phụ gia tro bay và cát giúp cải thiện tính cơ học và giảm hệ số thấm, đồng thời điều kiện bảo dưỡng bão hòa nâng cao hiệu quả chống thấm.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm SEEP/W chứng minh hiệu quả giảm áp lực thấm và tăng hệ số an toàn trượt khi áp dụng tường hào chống thấm.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quy trình thi công phù hợp nhằm nâng cao chất lượng và độ bền công trình đập đất tại Việt Nam.
  • Khuyến nghị triển khai đào tạo kỹ thuật và áp dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế, thi công tường hào Bentonite trong vòng 1 năm tới để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các đơn vị liên quan nên phối hợp thực hiện các dự án ứng dụng thực tế, đồng thời cập nhật và hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật cho tường hào chống thấm Bentonite. Hành động ngay hôm nay để bảo vệ an toàn công trình thủy lợi và nguồn nước quốc gia!