Tổng quan nghiên cứu

Công trình thủy điện Sông Tranh 2 tại tỉnh Quảng Nam có quy mô công suất thiết kế 190 MW với 2 tổ máy, cung cấp sản lượng điện bình quân 679,6 triệu kWh mỗi năm. Hồ chứa sở hữu dung tích toàn phần 730 triệu m3 cùng cao trình mực nước dâng bình thường 175 m. Trước thời điểm xây dựng nhà máy, dữ liệu quan trắc địa chấn lịch sử giai đoạn từ năm 1715 đến năm 2003 chỉ ghi nhận 8 trận động đất cường độ từ 2,1 đến 4,8 độ Richter trong toàn khu vực. Tuy nhiên, sau khi tích nước vào cuối năm 2011, khu vực xung quanh lòng hồ đã xuất hiện hàng trăm trận động đất kích thích. Đỉnh điểm là trận động đất mạnh 4,7 độ Richter xảy ra vào ngày 15 tháng 11 năm 2012, gây chấn động lan truyền trong bán kính hơn 50 km và tác động tâm lý lớn đến cộng đồng dân cư địa phương.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự an toàn của thân đập chính vốn được thiết kế chịu tải chấn động cấp 7 tương đương 7,0 độ Richter. Mục tiêu nghiên cứu tập trung làm rõ đặc điểm hình học, động học của mạng lưới đứt gãy, đồng thời khôi phục các pha tiến hóa trường ứng suất kiến tạo để xác định nguyên nhân phát sinh động đất kích thích. Phạm vi nghiên cứu bao quát không gian bán kính 20 đến 30 km tính từ tâm đập thủy điện Sông Tranh 2, thuộc địa bàn các huyện Bắc Trà My, Nam Trà My và Tiên Phước. Kết quả nghiên cứu đóng vai trò là luận cứ khoa học quan trọng phục vụ công tác đánh giá độ rủi ro địa tai biến, bảo đảm an toàn vận hành công trình và ổn định an sinh xã hội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết kiến tạo mảng và cơ chế biến dạng dòn đứt gãy trong thạch quyển để phân tích quy luật chuyển dịch cấu trúc. Bên cạnh đó, lý thuyết động đất kích thích do hồ chứa (Reservoir-Induced Seismicity) được sử dụng để giải thích sự thay đổi trạng thái cân bằng ứng suất khối đá khi chịu tải trọng nước. Bốn khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm:

  • Trường ứng suất kiến tạo: Hệ thống lực nén ép và tách giãn nội sinh chi phối chuyển động trượt của các đới nứt nẻ.
  • Hệ số ellipsoid ứng suất: Đại lượng biểu diễn tương quan độ lớn tương đối giữa ba trục ứng suất chính.
  • Độ bền kháng trượt: Giới hạn ma sát trên mặt gián đoạn ngăn cản sự dịch chuyển tương đối giữa hai khối đá.
  • Bột kiến tạo và đới vỡ vụn: Sản phẩm nghiền dập cơ học thể hiện lịch sử và mức độ hoạt động mạnh của đứt gãy.

Theo các tổng kết quốc tế trên hơn 90 công trình hồ chứa nước lớn, có tới 42 trường hợp ghi nhận địa chấn kích thích vượt ngưỡng 4,0 độ Richter, chứng minh tác động kích hoạt rõ rệt của trọng tải thủy tĩnh và áp lực nước lỗ rỗng lên hệ thống đứt gãy có sẵn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp đa dạng các nguồn dữ liệu viễn thám độ phân giải cao và số liệu khảo sát thực địa chi tiết. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 100 điểm lộ địa chất được lựa chọn theo phương pháp khảo sát lát cắt cấu trúc, bố trí các tuyến đo đạc vuông góc và song song với đới phá hủy kiến tạo chính. Lý do lựa chọn cách tiếp cận này nhằm bao quát toàn diện sự biến thiên liên tục của các mặt trượt, mặt phân phiến và cấu trúc dạng tuyến.

Nguồn ảnh mô hình số độ cao DEM SRTM độ phân giải không gian 30 m và ảnh vệ tinh Landsat ETM Plus độ phân giải 28 m được xử lý trên nền tảng Global Mapper và ER Mapper. Tại thực địa qua 2 đợt khảo sát vào tháng 7 năm 2013 và tháng 7 năm 2014, hàng trăm vector trượt, vết xước kiến tạo và góc chúi đã được đo đạc chính xác. Phương pháp phân tích tensor ứng suất Angelier trên phần mềm TENSOR được chọn lựa nhờ khả năng tối thiểu hóa góc lệch giữa vector trượt thực tế và phương ứng suất cắt lý thuyết. Điều kiện áp dụng nghiêm ngặt đòi hỏi mỗi điểm khảo sát phải có tối thiểu 4 mặt trượt độc lập để khôi phục ba trục ứng suất chính và hệ số ellipsoid ứng suất trên lưới chiếu Schmidt cùng vòng tròn Mohr. Tính chất cơ lý đá được xác định thông qua thí nghiệm nén mẫu đá biến chất và đá magma theo tiêu chuẩn chuyên ngành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Khảo sát thực địa và giải đoán viễn thám đã nhận diện mạng lưới gồm 15 đứt gãy kiến tạo chính và nhánh hoạt động trong khu vực nghiên cứu:

  • Hệ thống đứt gãy phương á vĩ tuyến và tây bắc - đông nam gồm 11 đứt gãy, phát triển kế thừa từ cấu trúc phân phiến cổ. Đứt gãy chính Trà Bui - Trà Nú có quy mô lớn nhất, mặt trượt cắm dốc 60 đến 90 độ về phía nam, cắt qua lòng hồ chứa và mang đới bột kiến tạo kéo dài thể hiện hoạt động trẻ.
  • Hệ thống đứt gãy phương á kinh tuyến và đông bắc - tây nam gồm 4 đứt gãy quy mô nhỏ hơn, đóng vai trò kết nối và chia cắt các khối cấu trúc cục bộ.
  • Quá trình tái tạo ứng suất đã phát hiện 4 pha chuyển động trượt bằng xoay theo chiều kim đồng hồ. Pha 1 cổ nhất nén ép á vĩ tuyến với trục nén cực đại dao động từ 072 đến 109 độ. Pha 4 trẻ nhất mang tính quyết định hiện nay với trục nén cực đại phương bắc - đông bắc từ 020 đến 045 độ, góc chúi thoải khoảng 10 độ, trục trung gian thẳng đứng góc 70 độ và hệ số ellipsoid ứng suất trung bình 0,45. Trường ứng suất pha 4 kích hoạt cơ chế trượt bằng phải trên hệ thống đứt gãy tây bắc - đông nam và á kinh tuyến.
  • Thí nghiệm cơ lý cho thấy đá móng khu vực đập chính thuộc nhóm đá biến chất amphibolit và granitogneiss rắn chắc, có khối lượng riêng 2,65 đến 2,90 g/cm3, độ lỗ rỗng thấp 0,45 đến 0,66%, cường độ kháng nén khô đạt 860 đến 1232 kg/cm2 và lực dính kết cao 135 đến 185 kg/cm2. Nhóm đá phong hóa dập vỡ chỉ chiếm diện hẹp ở hạ lưu với cường độ nén 206 đến 209 kg/cm2, suy giảm 75% đến 80% sức chịu tải.

Thảo luận kết quả

Cơ chế sinh chấn tại khu vực hồ chứa bắt nguồn từ sự tương tác bất lợi giữa trường ứng suất hiện đại và hoạt động thủy lực. Khi 730 triệu m3 nước được tích tụ, mực nước dâng từ cao trình chết 61 m lên 175 m đã làm gia tăng áp suất lỗ rỗng dọc theo các đới nứt nẻ sâu. Điều này trực tiếp làm giảm ứng suất pháp hiệu dụng và suy giảm ngưỡng ma sát trượt trên các mặt đứt gãy phương tây bắc - đông nam vốn đang chịu ứng suất nén trượt bằng phải của pha 4.

Dữ liệu quan trắc phản ánh quy luật rất rõ ràng khi được tổng hợp qua biểu đồ tương quan giữa biểu đồ dâng mực nước hồ và số lượng động đất ghi nhận theo từng tháng. Tần suất chấn động tăng vọt trong 2 năm đầu sau khi tích nước cực đại và suy giảm dần theo đường cong tắt dần sau năm 2013. Bảng đối sánh tham số tensor ứng suất trên lưới chiếu Schmidt và vòng tròn Mohr khẳng định trạng thái ứng suất cắt cục bộ đã được giải phóng từng phần. Diễn biến địa chấn tại Sông Tranh 2 hoàn toàn tương đồng với các tiền lệ quốc tế như đập Hoover tại Mỹ đạt cực đại 5,0 độ Richter hay đập Hòa Bình tại Việt Nam đạt cực đại 4,9 độ Richter.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu cấu trúc kiến tạo và địa chấn kích thích, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý được khuyến nghị thực hiện:

  • Tăng cường mạng lưới trạm quan trắc địa chấn: Thiết lập bổ sung 5 đến 7 trạm địa chấn số liệu tự động truyền tin thời gian thực trong phạm vi bán kính 30 km quanh hồ chứa. Hoàn thành lắp đặt trong vòng 12 tháng tới do Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phối hợp Tập đoàn Điện lực Việt Nam chủ trì.
  • Tối ưu hóa quy trình điều tiết mực nước hồ: Khống chế tốc độ tích nước và xả lũ không vượt quá 0,5 m mỗi ngày đêm trong giai đoạn chuyển mùa nhằm giảm thiểu xung lực thủy tĩnh đột ngột lên nền đá. Quy trình này cần được Ban quản lý Thủy điện Sông Tranh 2 áp dụng thường xuyên hàng năm.
  • Định kỳ quan trắc chuyển vị và biến dạng thân đập: Đo đạc biến dạng vi sai và độ lún thân đập 6 tháng một lần bằng phương pháp trắc địa vệ tinh độ chính xác cao, duy trì sai số dưới 1 mm do các đơn vị tư vấn địa kỹ thuật chuyên sâu thực hiện.
  • Diễn tập kế hoạch phòng chống thiên tai cấp cơ sở: Tổ chức định kỳ 2 đợt tập huấn và diễn tập ứng phó chấn động hàng năm cho 100% chính quyền và người dân tại các xã thuộc huyện Bắc Trà My và Nam Trà My, dưới sự chỉ đạo của Ủy ban Nhân dân tỉnh Quảng Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm chuyên môn sau:

  • Chuyên gia địa chất cấu trúc và địa chấn học: Khai thác phương pháp luận xử lý dữ liệu khe nứt, mặt trượt và kỹ thuật tính toán khôi phục trường cổ ứng suất bằng phần mềm TENSOR.
  • Kỹ sư thiết kế và quản lý dự án thủy công: Vận dụng cơ sở dữ liệu về 15 đứt gãy kiến tạo và các chỉ tiêu cơ lý đá móng để tính toán hệ số an toàn kháng chấn cho các công trình hạ tầng bậc thang thủy điện.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng các kịch bản dự báo địa chấn để xây dựng quy chế phối hợp vận hành liên hồ chứa an toàn trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
  • Học viên sau đại học và sinh viên kỹ thuật: Tham khảo quy trình phân tích kết hợp giữa ảnh viễn thám DEM 30 m, Landsat 28 m và khảo sát vết lộ thực địa làm hình mẫu cho các đề tài nghiên cứu địa kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  • Nguyên nhân chính gây chuỗi động đất tại hồ thủy điện Sông Tranh 2 là gì? Sự gia tăng áp suất thủy tĩnh của 730 triệu m3 nước và áp suất lỗ rỗng đã thấm sâu, làm suy giảm ma sát trượt trên các đứt gãy phương tây bắc - đông nam có sẵn dưới tác động của trường ứng suất kiến tạo nén trượt bằng hiện đại.

  • Thân đập thủy điện Sông Tranh 2 có đảm bảo an toàn trước các đợt động đất không? Đập bê tông đầm lăn được thiết kế chịu gia tốc chấn động cấp 7 tương đương 7,0 độ Richter, trong khi chấn động kích thích lớn nhất thực tế ghi nhận là 4,7 độ Richter nên công trình hoàn toàn nằm trong giới hạn chịu lực an toàn.

  • Phương pháp Angelier xác định tensor ứng suất có ưu điểm gì nổi bật? Phương pháp cực tiểu hóa độ lệch giữa vector trượt thực địa và ứng suất cắt lý thuyết từ ít nhất 4 mặt trượt độc lập, cho phép tách bạch chuẩn xác 4 pha biến dạng dòn liên tục qua các thời kỳ địa chất.

  • Tại sao tần suất động đất tại khu vực Sông Tranh 2 lại giảm dần theo thời gian? Động đất kích thích có xu hướng suy giảm sau 2 đến 3 năm tích nước cực đại vì ứng suất cắt tích tụ trên các mặt đứt gãy đã được giải phóng gần hết và hệ thủy lực dưới sâu dần đạt trạng thái cân bằng mới.

  • Nền đá móng công trình có đủ độ bền cơ học lâu dài hay không? Thí nghiệm cơ lý chứng minh đá móng amphibolit và granitogneiss có độ bền nén bão hòa cao từ 814 đến 1216 kg/cm2 và độ rỗng dưới 0,7%, đảm bảo nền tảng chịu lực ổn định tuyệt đối cho toàn bộ tuyến đập.

Kết luận

  • Đã xác lập và phân loại chi tiết mạng lưới gồm 15 đứt gãy kiến tạo trong bán kính 20 đến 30 km quanh thủy điện Sông Tranh 2, nổi bật là đứt gãy chính Trà Bui - Trà Nú.
  • Khôi phục thành công 4 pha tiến hóa ứng suất trượt bằng xoay theo chiều kim đồng hồ, chỉ rõ pha 4 phương bắc - đông bắc là nguồn gốc kích hoạt dịch chuyển trượt phải hiện nay.
  • Khẳng định tính chất động đất tại khu vực là động đất kích thích do tích nước hồ chứa làm giảm áp suất pháp hiệu dụng dọc các đới nứt nẻ có sẵn.
  • Đánh giá nền đá móng đập chính sở hữu độ bền cơ học cao với cường độ chịu nén vượt 860 kg/cm2, đủ điều kiện bảo đảm ổn định kết cấu lâu dài.
  • Đề xuất khung giải pháp đồng bộ gồm lắp đặt mạng lưới trạm quan trắc tự động và kiểm soát tốc độ dâng mực nước dưới 0,5 m mỗi ngày đêm trong giai đoạn tiếp theo.

Các cơ quan quản lý năng lượng và đơn vị vận hành công trình cần áp dụng ngay các kiến nghị kỹ thuật này vào quy trình quan trắc thường nhật nhằm nâng cao mức độ an toàn hồ đập và thúc đẩy phát triển kinh tế bền vững cho khu vực miền Trung.