Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của ngành thủy lợi, đến năm 2015, Việt Nam có khoảng 6.648 hồ chứa nước, trong đó phần lớn là các hồ nhỏ với đập đất và đập vữa, nhiều công trình đang đối mặt với nguy cơ mất an toàn do thấm và biến dạng đập. Xã Lộc An, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai, là khu vực nghiên cứu với diện tích tự nhiên khoảng 9.157 ha, dân số 4.058 người, kinh tế chủ yếu dựa vào nông nghiệp chiếm 87% lao động. Khu vực này chịu ảnh hưởng bởi địa hình đồi dốc, suối ngắn và dốc, gây ra hiện tượng ngập úng vào mùa mưa và khô hạn vào mùa khô, ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân. Công trình hồ chứa nước Lộc An được xây dựng nhằm mục đích cắt lũ cho hạ lưu suối Ông Qué và cung cấp nước tưới cho khoảng 300 ha cây trồng.

Tuy nhiên, trong quá trình thi công, vật liệu đắp đập có hệ số thấm lớn, không đảm bảo yêu cầu chống thấm, gây ra nguy cơ mất ổn định và an toàn cho đập khi đưa vào sử dụng. Do đó, nghiên cứu nhằm đề xuất giải pháp chống thấm và nâng cao ổn định cho đập đất hồ Lộc An là cấp thiết. Mục tiêu cụ thể là lựa chọn giải pháp chống thấm phù hợp, đảm bảo an toàn công trình trong điều kiện địa chất, thủy văn thực tế của khu vực. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại hồ chứa nước Lộc An, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai, với thời gian nghiên cứu dự kiến trong giai đoạn thi công và vận hành ban đầu của công trình. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu rủi ro vỡ đập, bảo vệ tài sản và tính mạng người dân, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành thủy lợi địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về dòng thấm và ổn định đập đất, bao gồm:

  • Định luật Darcy: Là cơ sở để mô tả dòng thấm trong đất, xác định lưu lượng thấm dựa trên hệ số thấm và gradient thủy lực.
  • Lý thuyết thủy động lực của dòng thấm qua móng và vai đập: Phương trình Laplace được sử dụng để mô hình hóa áp lực nước và dòng thấm trong môi trường đất đắp.
  • Mô hình phần tử hữu hạn SEEP/W (GEO-SLOPE): Phần mềm chuyên dụng để tính toán dòng thấm và ổn định đập trong môi trường bão hòa và không bão hòa, cho phép mô phỏng các điều kiện biên phức tạp và vật liệu đa dạng.
  • Các khái niệm chính: gradient thủy lực, hệ số thấm, dòng thấm có áp và không áp, ổn định mái đập, các phương pháp chống thấm như tường hào Bentonite, khoan phụt vữa xi măng, màng HDPE.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm khảo sát thực địa, phân tích địa chất, địa thủy văn khu vực hồ Lộc An, số liệu thí nghiệm vật liệu đắp đập và các thông số kỹ thuật công trình. Cỡ mẫu khảo sát gồm hàng trăm mẫu đất lấy từ các vị trí khác nhau của đập và nền móng, đảm bảo đại diện cho điều kiện thực tế.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán học và phần mềm SEEP/W để mô phỏng dòng thấm và tính toán ổn định đập dưới các phương án chống thấm khác nhau. Các phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích gradient thủy lực và lưu lượng thấm qua đập.
  • Tính toán ổn định mái đập theo phương pháp trượt mặt phẳng và phần tử hữu hạn.
  • So sánh hiệu quả các giải pháp chống thấm: tường hào Bentonite, khoan phụt vữa xi măng, màng HDPE.
  • Đánh giá tác động của từng giải pháp đến lưu lượng thấm và hệ số an toàn đập.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng thấm và ổn định đập trước xử lý: Lưu lượng thấm qua đập đất hồ Lộc An đo được khoảng 35-50% cao hơn so với tiêu chuẩn an toàn, hệ số an toàn mái đập dưới 1,0 cho thấy nguy cơ mất ổn định cao.

  2. Hiệu quả giải pháp tường hào Bentonite: Giảm lưu lượng thấm khoảng 35-50% so với hiện trạng, hệ số thấm giảm xuống mức 10^-5 cm/s, hệ số an toàn mái đập tăng lên trên 1,2, đảm bảo an toàn vận hành.

  3. Hiệu quả giải pháp khoan phụt vữa xi măng: Giảm lưu lượng thấm khoảng 30-45%, hệ số thấm đạt 10^-4 cm/s, hệ số an toàn mái đập đạt khoảng 1,15, tuy nhiên chi phí thi công thấp hơn so với tường hào Bentonite.

  4. Hiệu quả giải pháp màng HDPE: Giảm lưu lượng thấm lên đến 60%, hệ số thấm rất thấp khoảng 10^-7 cm/s, nhưng chỉ phù hợp với đập có mặt bằng rộng và điều kiện thi công thuận lợi, hệ số an toàn mái đập đạt trên 1,3.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây thấm mạnh là do vật liệu đắp có hệ số thấm lớn, không đồng nhất, cùng với việc thi công không đảm bảo độ chặt và xử lý tiếp giáp kém. So với các nghiên cứu trước đây về đập đất tại Việt Nam như hồ Suối Trầu, Am Chúa, kết quả cho thấy các giải pháp chống thấm hiện đại như tường hào Bentonite và khoan phụt vữa xi măng có hiệu quả rõ rệt trong việc giảm lưu lượng thấm và nâng cao ổn định đập.

Biểu đồ so sánh lưu lượng thấm và hệ số an toàn mái đập giữa các giải pháp cho thấy màng HDPE có hiệu quả chống thấm cao nhất nhưng hạn chế về điều kiện thi công. Tường hào Bentonite là giải pháp cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và khả năng thi công trong điều kiện địa hình đồi dốc, chật hẹp của hồ Lộc An. Khoan phụt vữa xi măng có ưu điểm về chi phí và thiết bị thi công đơn giản, phù hợp với các khu vực nền đắp có độ nứt nẻ vừa phải.

Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về cơ chế thấm và ổn định đập đất vật liệu địa phương, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giải pháp chống thấm phù hợp với điều kiện thực tế tại các công trình thủy lợi tương tự.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng giải pháp tường hào Bentonite cho đập đất hồ Lộc An: Thực hiện thi công tường hào chống thấm sâu đến 60m, sử dụng hỗn hợp xi măng - Bentonite theo tiêu chuẩn kỹ thuật, nhằm giảm lưu lượng thấm ít nhất 35% trong vòng 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và đơn vị quản lý dự án.

  2. Kết hợp khoan phụt vữa xi măng tại các vị trí nền đắp có nứt nẻ và độ thấm cao: Triển khai khoan phụt với áp lực và số lượng lỗ khoan được thiết kế phù hợp, giảm lưu lượng thấm thêm 30-40% trong 3-4 tháng. Chủ thể thực hiện là đơn vị thi công chuyên ngành.

  3. Sử dụng màng HDPE phủ mái thượng lưu đập tại các khu vực mặt bằng rộng và bằng phẳng: Thi công lớp màng HDPE dày tối thiểu 1mm, phủ đất bảo vệ, neo giữ chắc chắn để hạn chế thấm và chống xói mòn, hoàn thành trong 2 tháng. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và đơn vị quản lý công trình.

  4. Tăng cường công tác kiểm tra, giám sát chất lượng vật liệu và thi công: Áp dụng quy trình kiểm tra độ chặt, hệ số thấm vật liệu đắp, giám sát chặt chẽ quá trình thi công để đảm bảo tuân thủ thiết kế kỹ thuật, thực hiện liên tục trong suốt quá trình thi công và vận hành. Chủ thể thực hiện là đơn vị tư vấn giám sát và chủ đầu tư.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực quản lý vận hành hồ chứa: Tổ chức các khóa đào tạo về an toàn đập, vận hành hồ chứa, xử lý sự cố thấm cho cán bộ quản lý trong vòng 6 tháng, nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng ứng phó kịp thời. Chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và PTNT phối hợp với các đơn vị chuyên môn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư thủy lợi: Nghiên cứu các giải pháp chống thấm và ổn định đập đất vật liệu địa phương, áp dụng vào thiết kế và thi công công trình thủy lợi.

  2. Chủ đầu tư và quản lý dự án thủy lợi: Đánh giá hiệu quả các phương án xử lý thấm, lựa chọn giải pháp phù hợp với điều kiện địa phương, đảm bảo an toàn và kinh tế.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành xây dựng thủy lợi, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo về lý thuyết dòng thấm, mô hình tính toán phần tử hữu hạn và ứng dụng thực tiễn trong công trình đập đất.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và an toàn đập: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy định về an toàn hồ chứa, giám sát và xử lý sự cố thấm đập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đập đất thường gặp sự cố thấm và mất ổn định?
    Do vật liệu đắp có hệ số thấm lớn, không đồng nhất, thi công không đảm bảo độ chặt, xử lý tiếp giáp kém và thiếu các biện pháp chống thấm kỹ thuật. Ví dụ như đập Suối Trầu và Am Chúa đã từng bị vỡ do thấm mạnh.

  2. Giải pháp chống thấm nào hiệu quả nhất cho đập đất?
    Màng HDPE có hệ số thấm rất thấp (~10^-7 cm/s) và hiệu quả cao nhưng chỉ phù hợp với đập có mặt bằng rộng. Tường hào Bentonite và khoan phụt vữa xi măng là các giải pháp phổ biến, hiệu quả và phù hợp với nhiều điều kiện địa hình.

  3. Phần mềm SEEP/W được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    SEEP/W mô phỏng dòng thấm và áp lực nước trong đập đất, giúp tính toán lưu lượng thấm và đánh giá ổn định đập dưới các phương án chống thấm khác nhau, từ đó lựa chọn giải pháp tối ưu.

  4. Chi phí thi công các giải pháp chống thấm có cao không?
    Khoan phụt vữa xi măng có chi phí thấp hơn so với tường hào Bentonite và màng HDPE. Tuy nhiên, hiệu quả và điều kiện thi công cũng khác nhau, cần cân nhắc kỹ lưỡng theo từng công trình.

  5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn vận hành hồ chứa sau khi xử lý thấm?
    Cần thực hiện giám sát thường xuyên, kiểm tra chất lượng vật liệu, duy trì hệ thống thoát nước, đào tạo cán bộ vận hành và tuân thủ quy trình an toàn vận hành hồ chứa.

Kết luận

  • Đập đất hồ chứa nước Lộc An có nguy cơ thấm mạnh và mất ổn định do vật liệu đắp không đạt yêu cầu kỹ thuật và thi công chưa đảm bảo.
  • Các giải pháp chống thấm như tường hào Bentonite, khoan phụt vữa xi măng và màng HDPE đều có hiệu quả giảm lưu lượng thấm và nâng cao hệ số an toàn mái đập.
  • Tường hào Bentonite được đề xuất là giải pháp tối ưu cho điều kiện địa hình và vật liệu tại hồ Lộc An, kết hợp với khoan phụt vữa xi măng tại các vị trí đặc thù.
  • Cần tăng cường kiểm tra, giám sát thi công và đào tạo vận hành để đảm bảo an toàn lâu dài cho công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thi công giải pháp đã chọn, theo dõi hiệu quả thực tế và nghiên cứu tiếp tục các công nghệ chống thấm mới phù hợp với điều kiện địa phương.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ an toàn hồ chứa nước Lộc An và góp phần phát triển bền vững ngành thủy lợi địa phương!