I. Tổng quan dự án sửa chữa đập đất hồ An Phong Quảng Ngãi
Hồ chứa nước An Phong, tọa lạc tại xã Bình Mỹ, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi, là một công trình thủy lợi trọng yếu được xây dựng và đưa vào sử dụng từ năm 1984. Với dung tích hữu ích hồ An Phong đạt 0,265 triệu m³, công trình này đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp nguồn nước tưới tiêu cho 82 hecta đất nông nghiệp, góp phần ổn định sản xuất và cải thiện đời sống người dân. Tuy nhiên, sau gần 40 năm vận hành, cùng với tác động ngày càng khắc nghiệt của biến đổi khí hậu, nhiều hạng mục của hồ đã xuống cấp nghiêm trọng. Điều này không chỉ làm giảm hiệu quả tưới tiêu mà còn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn hồ đập, đe dọa trực tiếp đến tính mạng và tài sản của người dân vùng hạ du. Trước thực trạng đó, một dự án sửa chữa khẩn cấp đã được đề xuất, với mục tiêu chính là đánh giá toàn diện hiện trạng đập đất và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cấp hồ chứa nước, đảm bảo công trình vận hành an toàn, bền vững, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của địa phương và tăng cường năng lực phòng chống thiên tai.
1.1. Vai trò của hồ chứa An Phong đối với an ninh nguồn nước
Hồ chứa nước An Phong có nhiệm vụ chính là cung cấp nước tưới cho 65 hecta lúa và 17 hecta hoa màu, đảm bảo an ninh lương thực tại chỗ và khai thác hiệu quả tiềm năng đất đai. Công trình giúp điều tiết nguồn nước, giảm thiểu tác động của hạn hán vào mùa khô, tạo điều kiện cho nông dân thâm canh tăng vụ. Ban đầu, tần suất bảo đảm tưới của hồ là 75%, một con số có ý nghĩa lớn trong bối cảnh nông nghiệp phụ thuộc nhiều vào tự nhiên. Sự tồn tại của hồ An Phong không chỉ mang ý nghĩa kinh tế mà còn góp phần cải thiện môi trường sinh thái, giữ nước ngầm và ổn định vi khí hậu khu vực. Đây là một công trình mang tính chiến lược, là cơ sở để Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Quảng Ngãi hoạch định các chính sách phát triển nông nghiệp bền vững.
1.2. Sự cần thiết của việc nâng cấp hồ chứa nước An Phong
Trải qua 35 năm hoạt động, các hạng mục chính như thân đập, tràn xả lũ, cống lấy nước đã bộc lộ nhiều dấu hiệu hư hỏng. Luận văn của Thạc sĩ Nguyễn Thành Ngân (2019) chỉ rõ: “công trình xây dựng đã lâu, qua thời gian sử dụng một số hạng mục... đã xuống cấp nghiêm trọng; diện tích tưới thực tế không đảm bảo yêu cầu”. Thực tế cho thấy, hồ chỉ còn khả năng phục vụ tưới cho vụ Đông Xuân, còn vụ Hè Thu gần như không thể do thất thoát nước lớn qua thân và nền đập. Việc nâng cấp hồ chứa nước không chỉ là một yêu cầu kỹ thuật mà còn là nhiệm vụ cấp bách để khôi phục năng lực thiết kế, đảm bảo an toàn cho công trình và người dân, đồng thời thích ứng với những thách thức mới do biến đổi khí hậu gây ra, như các trận mưa lớn bất thường hoặc hạn hán kéo dài.
II. Hiện trạng xuống cấp và rủi ro mất an toàn hồ đập An Phong
Việc đánh giá hiện trạng đập đất hồ An Phong cho thấy một bức tranh đáng lo ngại về mức độ xuống cấp của công trình. Các vấn đề nghiêm trọng nhất tập trung ở thân đập, hệ thống tháo nước và các công trình phụ trợ. Mái thượng lưu bị sạt lở mái thượng lưu, đá gia cố bị sụt lún, trôi dạt. Mái hạ lưu xuất hiện hiện tượng thấm, sình lầy, làm giảm tính ổn định của kết cấu đập. Đặc biệt, hiện tượng thấm qua nền đập và thân đập diễn ra thường xuyên khi hồ tích nước ở mực nước dâng bình thường, gây thất thoát nước nghiêm trọng và tiềm ẩn nguy cơ xói ngầm. Các hạng mục như tràn xả lũ và cống lấy nước cũng bị hư hỏng nặng, ảnh hưởng đến khả năng điều tiết và vận hành an toàn. Những hư hỏng này nếu không được khắc phục kịp thời sẽ là mối đe dọa lớn, có thể dẫn đến sự cố vỡ đập, gây ra thảm họa khôn lường cho an toàn vùng hạ du trong mùa mưa lũ. Do đó, việc phân tích chi tiết các nguyên nhân và đề xuất giải pháp là nhiệm vụ trọng tâm của dự án.
2.1. Phân tích hiện tượng thấm qua nền đập và sạt lở mái
Khảo sát thực địa cho thấy mái thượng lưu đập bị xói mòn, đá lát khan bị sụp lún và dồn đống, cây cối mọc um tùm làm suy yếu lớp bảo vệ. Tình trạng này đặc biệt nguy hiểm khi có sóng lớn, dễ gây ra sạt lở mái thượng lưu. Tại mái hạ lưu, vấn đề nổi cộm là hiện tượng thấm. Báo cáo ghi nhận: “Vùng hạ lưu sau đập bị sình lầy không canh tác được với diện tích khá lớn”. Nước thấm xuất hiện ở chân mái, là dấu hiệu cho thấy đường bão hòa trong thân đập dâng cao, làm giảm sức kháng cắt của đất và tăng nguy cơ trượt mái. Vấn đề thấm qua nền đập và thân đập không chỉ làm mất nước mà còn là tác nhân chính gây ra hiện tượng xói ngầm, có thể dẫn đến phá hoại kết cấu từ bên trong, một trong những nguyên nhân hàng đầu gây vỡ đập đất.
2.2. Đánh giá hư hỏng kết cấu tràn xả lũ và cống lấy nước
Hệ thống tràn xả lũ và cống lấy nước là hai bộ phận quan trọng trong quy trình vận hành hồ chứa. Tuy nhiên, cả hai hạng mục này tại hồ An Phong đều xuống cấp nghiêm trọng. Ngưỡng tràn và tường tràn bằng đá xây bị bong tróc mạch vữa, sân sau bể tiêu năng bị xói lở nặng, làm giảm khả năng tiêu thoát lũ an toàn. Cống lấy nước kiểu tháp nghiêng với cơ cấu đóng mở bằng nút chai đã lạc hậu, quản lý vận hành phức tạp. Nghiêm trọng hơn, kết cấu cống bị nứt vỡ, rò rỉ lớn dọc theo mang cống. Tình trạng này không chỉ gây lãng phí nguồn nước tưới tiêu mà còn tạo ra các đường thấm nguy hiểm dọc theo thân công trình, có thể gây phá hoại do thấm tiếp xúc. Việc vận hành cống gần như không thể thực hiện được, ảnh hưởng trực tiếp đến việc cấp nước cho sản xuất.
III. Phương pháp đánh giá thấm và ổn định cho đập đất An Phong
Để đánh giá chính xác mức độ an toàn và đề xuất giải pháp sửa chữa hiệu quả, nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại dựa trên mô hình số. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng làm nền tảng, cho phép mô phỏng phức tạp các điều kiện địa chất và thủy văn. Cụ thể, bộ phần mềm GeoStudio của Canada, bao gồm module SEEP/W (tính thấm) và SLOPE/W (tính ổn định mái dốc), đã được lựa chọn để phân tích. Cách tiếp cận này giúp xác định chính xác vị trí đường bão hòa, tính toán lưu lượng thấm và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong thân đập. Dựa trên các kết quả này, hệ số an toàn của mái đập được kiểm tra trong các trường hợp tải trọng bất lợi nhất. Toàn bộ quá trình quan trắc công trình và phân tích đều tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, đặc biệt là TCVN 8216:2009 về thiết kế đập đất đầm nén. Đây là cơ sở khoa học vững chắc để Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng đưa ra quyết định lựa chọn phương án kỹ thuật tối ưu.
3.1. Ứng dụng phần mềm GeoStudio trong quan trắc công trình
GeoStudio là một công cụ mạnh mẽ, cho phép mô hình hóa các bài toán địa kỹ thuật phức tạp. Trong nghiên cứu này, module SEEP/W được dùng để giải bài toán thấm ổn định và không ổn định. Dữ liệu đầu vào bao gồm các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp và nền đập, điều kiện biên là mực nước thượng và hạ lưu. Kết quả từ SEEP/W là sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng, sau đó được chuyển tự động sang module SLOPE/W. SLOPE/W sẽ tính toán hệ số an toàn ổn định trượt cho mái thượng lưu và hạ lưu theo các phương pháp phân tích giới hạn cân bằng (ví dụ: Bishop, Janbu). Việc sử dụng kết hợp hai module này giúp phản ánh chân thực hơn ảnh hưởng của dòng thấm đến sự ổn định của kết cấu đập, là một bước tiến so với các phương pháp tính toán truyền thống.
3.2. Xây dựng mô hình và các trường hợp tính toán điển hình
Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên mặt cắt ngang điển hình của đập tại vị trí lòng sông, nơi có chiều cao lớn nhất. Các lớp vật liệu của thân đập và nền được định nghĩa với các chỉ tiêu cơ lý thu thập từ khảo sát địa chất. Hai trường hợp tính toán chính được xem xét để đánh giá hiện trạng đập đất: Trường hợp 1, hồ làm việc ở mực nước dâng bình thường (+21,7m), tương ứng với điều kiện vận hành dài hạn. Trường hợp 2, hồ ở mực nước lũ thiết kế, kiểm tra khả năng chịu tải cực hạn của công trình. Ngoài ra, trường hợp hạ thấp mực nước nhanh cũng được phân tích để đánh giá ổn định mái thượng lưu. Các kịch bản này bao quát được những điều kiện làm việc bất lợi nhất, giúp xác định các vị trí yếu và nguy cơ mất ổn định tiềm tàng, từ đó làm cơ sở cho việc thiết kế các giải pháp gia cố mái đập.
IV. Hướng dẫn các giải pháp sửa chữa đập đất hồ An Phong
Dựa trên kết quả đánh giá hiện trạng, nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nhằm khắc phục triệt để các vấn đề của đập đất hồ An Phong. Các giải pháp này tập trung vào hai hạng mục chính: xử lý thấm và tăng cường ổn định. Đối với vấn đề thấm, các phương pháp hiện đại như khoan phụt vữa xi măng-sét để tạo màn chống thấm trong thân và nền đập, hoặc thi công chân khay chống thấm ở thượng lưu được xem xét. Đối với việc gia cố ổn định, các phương án như áp trúc tăng mặt cắt đập ở cả mái thượng lưu và hạ lưu, kết hợp với việc gia cố mái đập bằng đá lát hoặc bê tông, đã được phân tích. Mỗi giải pháp đều được mô phỏng và tính toán lại bằng phần mềm GeoStudio để kiểm tra hiệu quả giảm thấm và tăng hệ số an toàn. Quá trình lựa chọn giải pháp cuối cùng không chỉ dựa trên yếu tố kỹ thuật mà còn xem xét đến tính kinh tế, khả thi trong thi công và tác động môi trường, đảm bảo dự án mang lại hiệu quả toàn diện.
4.1. Giải pháp kỹ thuật chống thấm thân đập và nền hiệu quả
Để giải quyết vấn đề thấm qua nền đập, hai phương án chính được đưa ra. Phương án 1 là khoan phụt chống thấm, tạo ra một bức màn thẳng đứng bằng vữa xi măng-sét bên trong thân và nền đập để ngăn chặn dòng thấm. Đây là phương pháp hiệu quả cao nhưng đòi hỏi công nghệ thi công phức tạp. Phương án 2 là xây dựng chân khay chống thấm bằng đất sét đầm nén hoặc tường bê tông ở chân mái thượng lưu. Chân khay có tác dụng kéo dài đường viền thấm, làm giảm gradient thủy lực và lưu lượng thấm. Cả hai giải pháp đều nhằm mục tiêu hạ thấp đường bão hòa trong thân đập, đưa nó ra khỏi phạm vi mái hạ lưu, từ đó loại bỏ hiện tượng thấm và tăng cường ổn định cho công trình. Việc lựa chọn phương án cụ thể sẽ phụ thuộc vào điều kiện địa chất chi tiết và phân tích kinh tế-kỹ thuật.
4.2. Phương pháp gia cố mái đập và nâng cấp tràn xả lũ
Để đảm bảo ổn định tổng thể, đặc biệt là chống lại sạt lở mái thượng lưu và hạ lưu, giải pháp áp trúc mở rộng mặt cắt đập được đề xuất. Việc đắp thêm đất ở mái hạ lưu (áp trúc hạ lưu) giúp tăng trọng lượng kháng trượt và đẩy cung trượt tiềm năng ra xa hơn. Tương tự, áp trúc mái thượng lưu kết hợp với gia cố bề mặt bằng đá lát hoặc tấm bê tông sẽ tăng khả năng chống xói mòn do sóng. Song song với việc gia cố thân đập, hệ thống tràn xả lũ cũng cần được nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu mới về phòng chống thiên tai. Điều này bao gồm việc sửa chữa, gia cố ngưỡng tràn, tường bên và bể tiêu năng, đảm bảo khả năng xả lũ an toàn theo tần suất thiết kế mới, có tính đến yếu tố biến đổi khí hậu và những thay đổi về thủy văn lưu vực.
V. Kết quả lựa chọn phương án nâng cấp hồ chứa nước tối ưu
Sau quá trình phân tích, so sánh và đánh giá đa tiêu chí, một phương án tổng thể để nâng cấp hồ chứa nước An Phong đã được lựa chọn. Phương án này là sự kết hợp tối ưu giữa các giải pháp kỹ thuật, nhằm giải quyết đồng bộ các vấn đề về thấm, ổn định và năng lực vận hành. Cụ thể, giải pháp chống thấm thân đập bằng chân khay thượng lưu được chọn vì tính khả thi và hiệu quả kinh tế. Thân đập được áp trúc mở rộng về phía hạ lưu để tăng hệ số an toàn. Mái thượng lưu được bóc bỏ lớp phong hóa, đầm nén lại và gia cố bằng đá lát theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật. Đỉnh đập được nâng cao trình và gia cố mặt đường. Hệ thống tràn xả lũ và cống lấy nước được xây dựng lại hoàn toàn để đảm bảo vận hành an toàn, linh hoạt. Kết quả mô phỏng cho thấy sau khi sửa chữa, đường bão hòa nằm hoàn toàn trong thân đập, hệ số an toàn ổn định tăng lên đáng kể, đảm bảo an toàn hồ đập ngay cả trong điều kiện mưa lũ cực đoan.
5.1. So sánh hiệu quả và lựa chọn kết cấu đập sau sửa chữa
Phân tích so sánh cho thấy phương án áp trúc mái hạ lưu kết hợp chân khay chống thấm thượng lưu mang lại hiệu quả cao nhất về mặt ổn định và kiểm soát thấm, với chi phí hợp lý. Kết cấu đập sau nâng cấp là đập đất đồng chất, có hệ số mái thượng lưu và hạ lưu được điều chỉnh để đảm bảo hệ số an toàn Fs > 1.3 trong mọi trường hợp tính toán. Biện pháp xử lý nền bao gồm việc bóc bỏ lớp đất hữu cơ và đầm nén chặt nền trước khi đắp. Các thiết bị tiêu thoát nước mặt và thân đập như rãnh đỉnh, rãnh cơ và hệ thống thoát nước hạ lưu cũng được thiết kế đồng bộ để đảm bảo công trình làm việc ổn định lâu dài. Phương án được lựa chọn là cơ sở để Ban quản lý dự án đầu tư xây dựng triển khai các bước thiết kế kỹ thuật và thi công tiếp theo.
5.2. Tác động của dự án đối với an toàn vùng hạ du và nông nghiệp
Dự án sửa chữa khẩn cấp và nâng cấp hồ An Phong sau khi hoàn thành sẽ mang lại những tác động tích cực to lớn. Trước hết, nguy cơ mất an toàn hồ đập được loại bỏ, đảm bảo an toàn tính mạng và tài sản cho hàng nghìn người dân sống ở vùng hạ du. Năng lực trữ nước và cấp nước của hồ được khôi phục và nâng cao, đảm bảo cung cấp đủ nguồn nước tưới tiêu cho toàn bộ 82 hecta diện tích thiết kế, kể cả trong vụ Hè Thu. Điều này sẽ góp phần tăng năng suất cây trồng, nâng cao thu nhập cho nông dân, và thúc đẩy phát triển kinh tế-xã hội địa phương. Công trình sau nâng cấp sẽ trở thành một lá chắn quan trọng, góp phần vào công cuộc phòng chống thiên tai và thích ứng với biến đổi khí hậu của tỉnh Quảng Ngãi.
