Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có khoảng 10.000 hồ chứa nước lớn nhỏ, trong đó có gần 500 hồ chứa có đập lớn, giữ vị trí thứ 16 trên thế giới về số lượng công trình thủy lợi quy mô. Riêng ngành nông nghiệp quản lý 1.957 hồ chứa thủy nông với tổng dung tích hữu ích đạt 5,842 tỷ m3. Tuy nhiên, hơn 50% số công trình này được xây dựng từ trước năm 1985 trong điều kiện kỹ thuật khảo sát còn hạn chế và nguồn vốn khó khăn. Sau nhiều thập kỷ vận hành, hàng loạt hồ chứa đã xuống cấp nghiêm trọng, không còn đáp ứng được nhiệm vụ kinh tế - xã hội hiện hành.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ hai áp lực lớn: tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu và sự gia tăng nhu cầu dùng nước. Biến đổi khí hậu làm gia tăng biên độ dao động thời tiết, khiến lượng mưa mùa khô tại khu vực Nam Trung Bộ giảm từ 10% đến 15%, trong khi lưu lượng đỉnh lũ mùa mưa tăng từ 10% đến 19%. Đồng thời, quy chuẩn thiết kế thủy lợi mới yêu cầu nâng mức bảo đảm tưới từ P = 75% lên P = 85%, kết hợp bổ sung nhiệm vụ cấp nước sinh hoạt, công nghiệp và dòng chảy môi trường theo Nghị định 112/2008/NĐ-CP.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xác định quy mô dung tích cần bổ sung, đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao đập đất và đánh giá định lượng an toàn thấm, ổn định mái dốc công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán nâng cấp đập đất tại hồ chứa nước Suối Dầu, tỉnh Khánh Hòa, với kịch bản dự báo biến đổi khí hậu định hướng đến năm 2050. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp gia tăng từ 15% đến 25% dung tích hữu ích của hồ chứa, bảo đảm an toàn tuyệt đối cho đập chính và tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư so với việc xây dựng cụm công trình đầu mối mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết kỹ thuật công trình thủy và cơ học đất chuyên sâu. Thứ nhất là lý thuyết dòng thấm Darcy và phương trình vi phân song điều hòa mô tả chuyển động của chất lỏng trong môi trường rỗng liên tục, dùng để giải bài toán trường áp lực thấm và xác định đường bão hòa qua thân và nền đập. Thứ hai là lý thuyết cân bằng giới hạn trong cơ học đất, ứng dụng các phương pháp lát cắt Bishop đơn giản hóa và Morgenstern-Price để phân tích hệ số an toàn trượt mái dốc trong các điều kiện làm việc bất lợi. Thứ ba là lý thuyết điều tiết dòng chảy và cân bằng nước hồ chứa theo chu kỳ năm thiết kế.

Hệ thống mô hình nghiên cứu kết hợp mô hình số phần tử hữu hạn 2D trong việc giải tích thấm không áp và mô hình cân bằng giới hạn tìm mặt trượt cung tròn nguy hiểm nhất. Các khái niệm then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm:

  • Dung tích hữu ích (Wh): Phần dung tích hồ chứa giữa mực nước chết và mực nước dâng bình thường dùng để điều tiết nước.
  • Mực nước dâng bình thường (MNDBT): Cao trình mặt nước cao nhất được phép duy trì trong hồ ở thời kỳ tích nước bình thường.
  • Đường bão hòa thấm: Ranh giới phân chia giữa vùng đất bão hòa nước và vùng đất không bão hòa trong thân đập.
  • Hệ số an toàn ổn định mái đập (K): Tỷ số giữa tổng mômen chống trượt và tổng mômen gây trượt của khối đất đắp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn hơn 30 năm tại trạm khí tượng Nha Trang và lưu vực sông Suối Dầu, hồ sơ thiết kế hoàn công đập chính hồ Suối Dầu với chiều cao đập lớn nhất 27,00m, cùng kịch bản biến đổi khí hậu phát thải trung bình B2 do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu sử dụng toàn bộ chuỗi số liệu thủy văn phân phối theo 12 tháng của năm thiết kế bất lợi tương ứng tần suất bảo đảm P = 85%. Đối với tính toán kết cấu, tác giả lựa chọn mặt cắt địa chất lòng sông bất lợi nhất có chiều cao đập lớn nhất 27,00m và kiểm tra trên 4 tổ hợp tải trọng: mực nước dâng bình thường, mực nước lũ thiết kế, mực nước lũ kiểm tra và trường hợp mực nước hồ rút nhanh từ mực nước dâng bình thường về mực nước chết.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tử hữu hạn kết hợp phần mềm chuyên dụng SEEP/W và SLOPE/W là vì đập đất có cấu trúc đắp không đồng nhất, vật liệu có tính dị hướng và điều kiện biên phức tạp. Phương pháp này cho phép rời rạc hóa miền tính toán thành hàng nghìn phần tử tam giác và tứ giác, giúp mô phỏng chính xác trường gradient áp lực nước lỗ rỗng và liên kết trực tiếp sang bài toán ổn định mái dốc. Toàn bộ quy trình tính toán và kiểm chứng số liệu được thực hiện trong mốc thời gian hoàn thành công trình nghiên cứu năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nhu cầu dùng nước thực tế tại khu vực hạ du hồ Suối Dầu tăng thêm 21,4% so với thiết kế ban đầu. Nguyên nhân chính do nhiệt độ trung bình khu vực dự báo tăng 1,9°C vào năm 2050, lượng bốc hơi mặt ruộng tăng 6,8%, đồng thời phát sinh nhu cầu cấp nước cho công nghiệp và duy trì dòng chảy môi trường sinh thái với lưu lượng tối thiểu 0,35 m3/s.

Thứ hai, để đáp ứng mức bảo đảm tưới P = 85% dưới kịch bản B2, dung tích hữu ích của hồ chứa Suối Dầu cần được nâng từ 9,42 triệu m3 lên mức 12,15 triệu m3, tương ứng với tỷ lệ tăng 28,9%. Lượng nước thiếu hụt trong mùa kiệt nếu không nâng cấp hồ chứa lên tới 2,73 triệu m3 mỗi năm.

Thứ ba, nghiên cứu xác định giải pháp kỹ thuật tối ưu là đắp áp trúc mở rộng đập về phía mái hạ lưu để tôn cao đỉnh đập thêm 2,00m (từ cao trình +45,00m lên cao trình +47,00m). Giải pháp này cho phép chiều rộng đỉnh đập duy trì 6,00m, hệ số mái thượng lưu m = 2,75 và hệ số mái hạ lưu duy trì các cơ đập bậc thang với hệ số m = 2,25 đến 2,50.

Thứ tư, kiểm tra an toàn thấm và ổn định mái đập sau khi nâng cao cho thấy hệ số an toàn trượt nhỏ nhất ở mái thượng lưu khi nước rút nhanh đạt K = 1,38 (vượt tiêu chuẩn quy phạm Kcp = 1,30) và mái hạ lưu ở mực nước dâng bình thường đạt K = 1,52 (vượt tiêu chuẩn Kcp = 1,40). Đường bão hòa hạ thấp an toàn vào tầng lọc thoát nước đống đá hạ lưu, không xuất hiện hiện tượng xói ngầm hoặc đùn sủi đất.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  MÔ PHỎNG MẶT CẮT ĐẬP SAU KHI NÂNG CAO                  |
|                                                                         |
|                Đỉnh đập mới (+47.00m)                                   |
|                      _______                                            |
|  MNDBT (+43.50m)    /   |   \  <-- Khối đắp áp trúc mở rộng hạ lưu      |
|  ~~~~~~~~~~~~~~\   /    |    \                                          |
|                 \ / Thân|     \                                         |
|                  \  đập |      \                                        |
|                   \ cũ  |       \____ Cơ hạ lưu                         |
|                    \    |        \                                      |
|                     \   |         \____ Đống đá thoát nước              |
|                      \  |               \______                         |
|  -------------------------------------------------------------          |
|                             Nền đập                                     |
+-------------------------------------------------------------------------+

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giúp kết cấu đắp áp trúc mái hạ lưu đạt độ ổn định cao là nhờ khối lượng đất đắp bổ sung tạo nên khối phản áp vững chắc ở chân đập, đồng thời kéo dài chiều dài đường thấm qua thân đập thêm 8,50m. Điều này làm giảm gradient thấm đầu ra xuống dưới mức giới hạn cho phép (J = 0,42 < Jcp = 0,60).

Khi so sánh với các nghiên cứu nâng cấp công trình thủy nông tại miền Trung như hồ Cà Giây (Bình Thuận) hay hồ Tân Giang (Ninh Thuận), phương án đắp áp trúc hạ lưu của hồ Suối Dầu thể hiện ưu thế vượt trội về mặt thi công. Đơn vị thi công không cần tháo cạn hồ, giữ nguyên 100% khả năng tích nước và cấp nước tưới cho 1.800 ha đất nông nghiệp trong suốt thời gian xây dựng.

Các kết quả nghiên cứu được minh chứng rõ nét qua hệ thống biểu đồ so sánh nhu cầu dùng nước 12 tháng trong năm và bảng cân bằng nước chi tiết giữa kịch bản hiện trạng và kịch bản biến đổi khí hậu B2. Biểu đồ trường thế áp lực trong phần mềm SEEP/W chỉ rõ vị trí đường bão hòa được khống chế an toàn bên dưới thân đập, và bảng kết quả trượt trong SLOPE/W khẳng định cung trượt nguy hiểm nhất không cắt qua thân đập cũ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa giải pháp nâng cao dung tích hồ chứa nước ứng phó với biến đổi khí hậu, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể:

Thứ nhất, thi công đắp tôn cao thân đập bằng phương án áp trúc mái hạ lưu: Sử dụng đất đắp á sét đồng chất tại địa phương có dung trọng khô tiêu chuẩn đạt gamma khô lớn hơn hoặc bằng 1,65 T/m3, hệ số đầm nén K >= 0,95. Tiến hành bóc bỏ lớp đất hữu cơ mái cũ dày 0,30m, đào bậc cấp kích thước 1,00m x 1,00m để bảo đảm liên kết ngàm tuyệt đối giữa khối đắp mới và thân đập hiện hữu. Tiến độ thực hiện hoàn thành trong 12 tháng do Ban Quản lý dự án Thủy lợi tỉnh Khánh Hòa làm chủ đầu tư.

Thứ hai, nâng cấp và cải tạo hệ thống thoát nước hạ lưu: Xây dựng mới hoàn toàn đống đá thoát nước kiểu lăng trụ kết hợp tầng lọc ngược cát - sỏi dày 0,40m tại chân mái hạ lưu mới để thu gom triệt để lưu lượng thấm 0,012 m3/s, ngăn ngừa hiện tượng bão hòa chân đập. Thời gian thi công trong 4 tháng đầu kỳ xây lắp do nhà thầu chuyên ngành xây dựng thủy lợi đảm nhiệm.

Thứ three, triển khai giải pháp khoan phụt vữa gia cố chống thấm tại vai đập và cống lấy nước: Bơm ép vữa xi măng - bentonite áp lực cao từ 2,0 đến 5,0 atm tại các vị trí tiếp giáp giữa đất đắp và công trình bê tông để giảm lưu lượng thấm cục bộ xuống 35%, bảo đảm an toàn chống xói ngầm dọc thân cống. Công việc thực hiện trong 6 tháng do đơn vị thi công địa kỹ thuật thực hiện.

Thứ tư, thiết lập hệ thống quan trắc an toàn đập tự động thời gian thực: Lắp đặt mạng lưới 12 ống đo áp lực thấm (piezometer) và 8 mốc đo lún bề mặt dọc theo tuyến đập để theo dõi liên tục trạng thái làm việc của đập trong giai đoạn tích nước mới. Chi cục Thủy lợi tỉnh Khánh Hòa và đơn vị quản lý khai thác chịu trách nhiệm vận hành liên tục 24/7 sau khi bàn giao công trình.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI NÂNG CẤP HỒ CHỨA                   |
|                                                                         |
| Giai đoạn 1 (Tháng 1 - 4):   Xử lý móng, khoan phụt vữa chống thấm      |
| Giai đoạn 2 (Tháng 3 - 10):  Đắp đất áp trúc mái hạ lưu đạt K >= 0,95   |
| Giai đoạn 3 (Tháng 9 - 12):  Hoàn thiện lăng trụ đá lọc và đỉnh đập     |
| Giai đoạn 4 (Sau tháng 12):  Lắp đặt cảm biến quan trắc, vận hành tự động|
+-------------------------------------------------------------------------+

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm trong ngành xây dựng công trình thủy:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư tư vấn thiết kế và quy hoạch tài nguyên nước: Tài liệu cung cấp quy trình chuẩn để tính toán cân bằng nước theo tiêu chuẩn bảo đảm tưới P = 85% có tích hợp kịch bản biến đổi khí hậu B2, đồng thời hướng dẫn phương pháp xác định kích thước hình học tối ưu khi nâng cao trình đập đất hiện có.

Nhóm thứ hai là các cán bộ kỹ thuật và chuyên gia địa kỹ thuật: Cung cấp case-study thực tế về việc ứng dụng kết hợp bộ đôi phần mềm SEEP/W và SLOPE/W để xử lý bài toán thấm phi tuyến và trượt mái dốc phức tạp, giúp rút ngắn 50% thời gian tính toán mô phỏng kết cấu đập vật liệu địa phương.

Nhóm thứ ba là các đơn vị quản lý, khai thác và vận hành công trình thủy lợi: Nắm bắt các quy tắc kiểm soát an toàn đập, giải pháp duy trì dòng chảy cấp nước liên tục trong quá trình sửa chữa nâng cấp và thiết lập hệ thống quan trắc áp lực thấm theo thời gian thực.

Nhóm thứ tư là học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Xây dựng công trình thủy, Thủy văn và Biến đổi khí hậu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về phương pháp luận nghiên cứu, kỹ thuật xử lý số liệu quan trắc nhiều năm và các giải pháp công trình ứng phó với biến đổi khí hậu tại dải ven biển miền Trung.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên chọn phương án đắp áp trúc mái hạ lưu thay vì mái thượng lưu khi nâng cao đập đất Suối Dầu?

Đắp áp trúc mái hạ lưu là giải pháp tối ưu vì không chịu ảnh hưởng của mực nước trong lòng hồ, giúp quá trình thi công diễn ra liên tục mà không cần tháo cạn nước. Công trình vẫn duy trì 100% nhiệm vụ cấp nước tưới và sinh hoạt cho hạ du. Ngược lại, đắp mái thượng lưu đòi hỏi phải hạ thấp mực nước hồ hoặc đắp đê quây dẫn dòng với chi phí tăng thêm khoảng 30% đến 40%.

Kịch bản biến đổi khí hậu B2 tác động cụ thể như thế nào đến việc xác định dung tích hồ chứa?

Theo kịch bản phát thải trung bình B2, nhiệt độ khu vực nghiên cứu tăng 1,9°C và lượng mưa mùa khô giảm từ 10% đến 15% vào giữa thế kỷ 21. Sự thay đổi này làm tăng hệ số bốc hơi mặt ruộng và giảm 7,5% dòng chảy đến hồ trong mùa kiệt, buộc hồ chứa phải bổ sung 2,73 triệu m3 dung tích hữu ích để bảo đảm tần suất cấp nước 85%.

Phần mềm Geo-Slope hỗ trợ giải quyết những bài toán kỹ thuật nào trong luận văn?

Mô-đun SEEP/W sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán chính xác trường áp lực nước lỗ rỗng, gradient thấm và vị trí đường bão hòa qua thân đập 27m. Dữ liệu áp lực thấm sau đó được tự động liên kết sang mô-đun SLOPE/W để xác định hệ số an toàn trượt K theo phương pháp Morgenstern-Price cho các trường hợp làm việc nguy hiểm nhất.

Làm thế nào để xử lý triệt để hiện tượng thấm tiếp giáp giữa khối đắp mới và thân đập cũ?

Biện pháp kỹ thuật bao gồm việc đào bóc toàn bộ lớp đất mặt hữu cơ dày 0,30m của mái đập cũ, đánh cấp bậc thang tỷ lệ 1:1 để tăng diện tích ngàm dính, khống chế độ ẩm đất đắp mới chênh lệch không quá 2% so với độ ẩm tối ưu và đầm nén đạt dung trọng K >= 0,95. Ngoài ra, kết hợp khoan phụt vữa xi măng áp lực tại các vị trí tiếp giáp địa chất phức tạp.

Việc nâng cao mực nước dâng bình thường có làm gia tăng nguy cơ mất ổn định khi xả lũ không?

Có, mực nước hồ dâng cao làm tăng dung tích trữ và lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tràn về công trình. Do đó, luận văn đã tính toán điều tiết lũ với kịch bản mở rộng khẩu diện tràn xả lũ hoặc nâng cao ngưỡng tràn có cửa van, bảo đảm khả năng tháo an toàn lưu lượng lũ thiết kế P = 1% và lũ kiểm tra P = 0,2%, giữ mực nước lớn nhất luôn thấp hơn đỉnh tường chắn sóng tối thiểu 0,70m.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán nâng cao đập đất nhằm bổ sung 2,73 triệu m3 dung tích hữu ích cho hồ chứa nước Suối Dầu dưới tác động của biến đổi khí hậu theo kịch bản B2.
  • Phương án đắp áp trúc mở rộng về phía mái hạ lưu tôn cao đỉnh đập thêm 2,00m được chứng minh là tối ưu nhất về kỹ thuật, bảo đảm hệ số an toàn trượt K đạt từ 1,38 đến 1,52 và không làm gián đoạn cấp nước hạ du.
  • Ứng dụng thành công mô hình số phần tử hữu hạn SEEP/W và SLOPE/W trong việc mô phỏng chính xác trường thấm và ổn định trượt mái đập đất không đồng nhất.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình đồng bộ bao gồm xử lý đầm nén tiếp giáp đạt K >= 0,95, hoàn thiện lăng trụ đá tiêu thoát nước và lắp đặt mạng lưới quan trắc áp lực thấm tự động.
  • Kế hoạch triển khai tiếp theo cần tập trung vào việc lập dự án đầu tư khả thi trong giai đoạn 2016-2020 và nhân rộng mô hình tính toán cho hệ thống hồ chứa thủy nông tại các tỉnh Nam Trung Bộ.

Các kỹ sư công trình thủy, nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý thủy lợi hãy áp dụng ngay phương pháp luận và các thông số tính toán từ công trình này để nâng cao năng lực ứng phó biến đổi khí hậu và bảo đảm an toàn hồ đập bền vững!