Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có trên 7.000 hồ chứa thủy điện và thủy lợi đã tích nước, trong đó có 35 đập cao từ 50m trở lên, phân bố rộng khắp 44/63 tỉnh thành. Đập đất chiếm tỷ lệ lớn do ưu điểm về kinh tế, an toàn và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, nền đập thường gặp các vấn đề về thấm nước, lún không đều, gây mất ổn định công trình. Tại tỉnh Bắc Giang, nhiều công trình đập đất phục vụ tưới tiêu nông nghiệp đang được xây dựng trên nền địa chất phức tạp với các lớp đất bồi tích có hệ số thấm lớn, gây thấm nước qua nền đập và đê quai thượng hạ lưu.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá các biện pháp xử lý nền đập đất hồ Duồng, huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang nhằm đảm bảo tính ổn định và chống thấm hiệu quả, đồng thời tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật. Nghiên cứu tập trung vào phân tích đặc điểm địa chất, khí tượng thủy văn, tính toán thấm và ứng suất biến dạng nền đập qua các phương pháp lý thuyết và phần mềm Geo-Slope trong giai đoạn 2013. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn giải pháp xử lý nền phù hợp, góp phần nâng cao độ bền và an toàn cho các công trình thủy lợi tương tự trên địa bàn tỉnh Bắc Giang và các vùng có điều kiện địa chất tương đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thấm nước trong môi trường lỗ rỗng: Định luật Darcy và phương trình vi phân vận động nước dưới đất được phát triển từ năm 1856, làm cơ sở cho tính toán lưu lượng và áp lực thấm qua nền đập.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Sử dụng để giải bài toán thấm và tính toán ứng suất biến dạng nền đập với mô hình toán học phức tạp, cho phép mô phỏng điều kiện biên và tính chất không đồng nhất của nền đất.
  • Lý thuyết cân bằng giới hạn (CBGH): Áp dụng để đánh giá ổn định nền đập, xác định tải trọng giới hạn phá hoại dựa trên tiêu chuẩn phá hoại Coulomb với các tham số cơ lý như lực dính và góc ma sát trong.
  • Phương pháp mặt trượt giả định: Bao gồm các phương pháp Bishop, Terzaghi, và Spencer để phân tích ổn định mái dốc đập đất, xác định hệ số an toàn chống trượt.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số thấm, ứng suất hiệu dụng, biến dạng đàn hồi và dẻo, tải trọng giới hạn, mặt trượt nguy hiểm, và hệ số an toàn ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm khảo sát địa chất hiện trường, số liệu khí tượng thủy văn, và các thông số cơ lý đất lấy từ các mỏ vật liệu xây dựng tại Bắc Giang. Cỡ mẫu khảo sát khoảng vài chục điểm lấy mẫu đất tại vị trí nền đập và vùng lân cận.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tính toán thấm nước qua nền đập bằng phần mềm Geo-Slope, mô hình hóa dòng thấm và áp lực nước trong nền.
  • Phân tích ứng suất và biến dạng nền đập theo phương pháp phần tử hữu hạn, đánh giá khả năng chịu tải và biến dạng của nền.
  • So sánh các phương án xử lý nền như khoan phụt vữa xi măng, xây tường nghiêng bằng đất sét, sử dụng vật liệu chống thấm Bentonite, và kết hợp các biện pháp gia cố vật lý.
  • Đánh giá hiệu quả kỹ thuật và kinh tế của từng phương án dựa trên kết quả tính toán và điều kiện thi công thực tế.

Thời gian nghiên cứu tập trung trong năm 2013, tại công trình hồ Duồng, huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc điểm địa chất nền đập: Nền đập hồ Duồng gồm các lớp đất bồi tích lòng sông có hệ số thấm cao (khoảng 10^-5 cm/s), lớp đất sét phong hóa dày 3-4m, và các lớp đất bazan phong hóa vừa đến mạnh. Đặc tính này gây ra hiện tượng thấm mạnh qua nền đập, làm tăng nguy cơ mất ổn định.

  2. Phân tích thấm và ứng suất biến dạng: Kết quả tính toán bằng Geo-Slope cho thấy lưu lượng thấm qua nền đập có thể đạt đến mức khoảng 10^-4 m^3/s trong điều kiện không xử lý, gây áp lực nước lớn tại chân đập. Sau khi áp dụng biện pháp khoan phụt vữa xi măng tạo tường chống thấm, lưu lượng thấm giảm trên 70%, áp lực nước giảm tương ứng, nâng cao độ ổn định nền.

  3. So sánh các biện pháp xử lý nền: Phương án sử dụng tường nghiêng bằng đất sét kết hợp khoan phụt vữa xi măng cho hệ số an toàn ổn định nền đạt trên 1.5, cao hơn 20% so với phương án chỉ dùng tường nghiêng đất sét. Biện pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite giảm lưu lượng thấm khoảng 60%, nhưng chi phí cao hơn 15% so với phương án khoan phụt.

  4. Hiện trạng các đập tại Bắc Giang: Theo thống kê năm 2013, trên địa bàn tỉnh có nhiều đập đất có chiều cao trên 15m và dung tích lớn, trong đó khoảng 40% đập có hiện tượng nứt và thấm nhẹ đến trung bình, cần được xử lý kịp thời để đảm bảo an toàn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây thấm và mất ổn định nền đập là do đặc điểm địa chất phức tạp với các lớp đất bồi tích có hệ số thấm lớn và lớp đất sét phong hóa không đồng đều. Việc lựa chọn biện pháp xử lý nền phải dựa trên phân tích kỹ thuật chi tiết và điều kiện thi công thực tế.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy phương pháp khoan phụt vữa xi măng kết hợp tường nghiêng đất sét là giải pháp tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế cho hồ Duồng. Kết quả tính toán có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng thấm trước và sau xử lý, bảng so sánh hệ số an toàn và chi phí các phương án xử lý.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công các công trình đập đất trên nền địa chất tương tự, góp phần nâng cao độ bền và an toàn công trình thủy lợi tại Bắc Giang và các vùng lân cận.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng biện pháp khoan phụt vữa xi măng tạo tường chống thấm: Thực hiện trong vòng 6 tháng trước khi thi công đắp đập, nhằm giảm lưu lượng thấm qua nền đập ít nhất 70%, do Ban Quản lý dự án và nhà thầu thi công chịu trách nhiệm.

  2. Xây dựng tường nghiêng bằng đất sét kết hợp sân phủ chống thấm: Triển khai đồng thời với khoan phụt, đảm bảo hệ số an toàn nền đạt trên 1.5, thời gian thi công dự kiến 4 tháng, do đơn vị thi công và tư vấn giám sát phối hợp thực hiện.

  3. Sử dụng vật liệu Bentonite cho các vị trí tiếp giáp chân đập và đê quai: Áp dụng tại các khu vực có nguy cơ thấm cao, nhằm tăng khả năng chống thấm, thời gian thi công 3 tháng, do nhà thầu chuyên ngành chịu trách nhiệm.

  4. Tăng cường công tác khảo sát địa chất và giám sát thi công: Định kỳ kiểm tra chất lượng xử lý nền, đảm bảo các biện pháp thi công đúng thiết kế, giảm thiểu sai sót kỹ thuật, do Sở Nông nghiệp & PTNT Bắc Giang phối hợp với đơn vị tư vấn thực hiện.

Các giải pháp trên cần được triển khai đồng bộ, có kế hoạch cụ thể và giám sát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả lâu dài cho công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Nghiên cứu giúp lựa chọn giải pháp xử lý nền phù hợp với đặc điểm địa chất phức tạp, nâng cao độ an toàn công trình.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát xây dựng đập đất: Áp dụng các biện pháp xử lý nền hiệu quả, đảm bảo chất lượng thi công và giảm thiểu rủi ro thấm, lún không đều.

  3. Cơ quan quản lý và vận hành công trình thủy lợi: Hiểu rõ các nguyên nhân gây mất ổn định nền đập, từ đó xây dựng kế hoạch bảo trì, kiểm tra và xử lý kịp thời.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy lợi, địa kỹ thuật: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình tính toán và ứng dụng phần mềm Geo-Slope trong phân tích thấm và ổn định nền đập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đập đất được sử dụng phổ biến ở Việt Nam?
    Đập đất có ưu điểm giá thành thấp, tận dụng vật liệu địa phương, dễ thi công và thích ứng tốt với độ lún nền. Ngoài ra, đập đất thân thiện với môi trường và có kinh nghiệm quản lý vận hành lâu đời.

  2. Nguyên nhân chính gây thấm nền đập đất là gì?
    Do đặc điểm địa chất nền gồm các lớp đất bồi tích có hệ số thấm lớn, lớp đất sét phong hóa không đồng đều, cùng với thiết kế và thi công chưa phù hợp dẫn đến thấm nước qua nền đập.

  3. Phương pháp khoan phụt vữa xi măng có ưu điểm gì?
    Phương pháp này tạo thành tường chống thấm vững chắc trong nền đất, giảm lưu lượng thấm trên 70%, nâng cao độ ổn định và tuổi thọ công trình với chi phí hợp lý.

  4. Phần mềm Geo-Slope được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Geo-Slope mô phỏng dòng thấm và ứng suất biến dạng nền đập theo mô hình phần tử hữu hạn, giúp đánh giá hiệu quả các biện pháp xử lý nền và lựa chọn giải pháp tối ưu.

  5. Làm thế nào để đảm bảo hiệu quả lâu dài của biện pháp xử lý nền?
    Cần kết hợp khảo sát địa chất kỹ lưỡng, thi công đúng quy trình, giám sát chặt chẽ và bảo trì định kỳ để phát hiện và xử lý kịp thời các hiện tượng thấm, lún không đều.

Kết luận

  • Đập đất là loại công trình thủy lợi phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt tại Bắc Giang với nhiều hồ chứa có nền địa chất phức tạp.
  • Nền đập hồ Duồng có đặc điểm địa chất gồm các lớp đất bồi tích và đất sét phong hóa, gây thấm mạnh và mất ổn định nếu không xử lý đúng cách.
  • Phương pháp khoan phụt vữa xi măng kết hợp xây tường nghiêng đất sét là giải pháp hiệu quả, giảm lưu lượng thấm trên 70% và nâng cao hệ số an toàn nền đập.
  • Nghiên cứu sử dụng phần mềm Geo-Slope và phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng thấm và ứng suất biến dạng, cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công.
  • Đề xuất triển khai đồng bộ các biện pháp xử lý nền trong vòng 6 tháng, đồng thời tăng cường giám sát và bảo trì để đảm bảo an toàn công trình lâu dài.

Luận văn khuyến nghị các nhà quản lý, kỹ sư và nhà thầu áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và độ bền các công trình đập đất tại Bắc Giang và các vùng có điều kiện tương tự. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tiễn, độc giả có thể liên hệ với Trường Đại học Thủy lợi hoặc các đơn vị tư vấn chuyên ngành.