Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam có hơn 6.600 hồ chứa nước, trong đó gần 100 hồ có dung tích trên 10 triệu m³, tổng dung tích trữ nước đạt gần 50 tỷ m³. Tuy nhiên, nhiều hồ chứa hiện nay chưa khai thác tối đa năng lực, dẫn đến diện tích tưới thực tế thấp hơn nhiều so với thiết kế, ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển kinh tế - xã hội. Tỉnh Ninh Thuận, với đặc điểm khí hậu khô hạn, lượng mưa trung bình khoảng 700-800 mm/năm và bốc hơi tiềm năng lên tới 1.800-1.900 mm/năm, có 21 hồ chứa với tổng dung tích khoảng 194.000 m³, phục vụ tưới cho hơn 18.000 ha đất canh tác. Hồ chứa Bà Râu là một trong những công trình quan trọng của tỉnh, được thiết kế cung cấp nước tưới cho 300 ha đất và phục vụ khu công nghiệp Du Long. Tuy nhiên, do nhu cầu sử dụng nước tăng cao và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2050, việc nâng cao dung tích hữu ích của hồ là cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là lựa chọn giải pháp kỹ thuật nâng cấp đập đất nhằm tăng dung tích hữu ích hồ chứa Bà Râu, đảm bảo an toàn kết cấu và đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hồ chứa Bà Râu, tỉnh Ninh Thuận, với phân tích số liệu thực tế, mô hình hóa thấm và ổn định đập bằng phần mềm địa kỹ thuật GEOSTUDIO. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc nâng cấp đập đất, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước, giảm thiểu rủi ro thiên tai và thúc đẩy phát triển bền vững vùng khô hạn.

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 đất: Áp dụng định luật Darcy để mô tả dòng thấm nước qua đập đất, trong đó vận tốc dòng thấm tỷ lệ thuận với gradient áp lực thủy lực và hệ số thấm của đất. Khái niệm gradient áp lực và áp lực nước lỗ rỗng được sử dụng để đánh giá dòng thấm và ảnh hưởng đến ổn định đập.

  • Lý thuyết ổn định mái đập đất: Sử dụng các phương pháp phân tích giới hạn như phương pháp Fellenius, Bishop đơn giản, Spencer, Janbu tổng quát và Morgenstern-Price để tính toán hệ số an toàn chống trượt mái đập. Các phương pháp này dựa trên giả định mặt trượt dạng trụ tròn, hỗn hợp hoặc bất kỳ, đánh giá cân bằng lực và mô men trên khối đất trượt.

  • Khái niệm chính: Mực nước dâng bình thường (MNDBT), mực nước lũ thiết kế (MNLTK), mực nước lũ kiểm tra (MNLKT), hệ số thấm (k), gradient áp lực, lực kháng cắt, hệ số an toàn (Fs), mặt trượt nguy hiểm, áp lực nước lỗ rỗng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp số liệu thực tế từ hồ chứa Bà Râu và các hồ chứa khác tại Ninh Thuận, số liệu khí tượng thủy văn, địa chất công trình, kết quả đo đạc dòng thấm và áp lực nước. Tham khảo các tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN, QCVN) và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội tỉnh Ninh Thuận đến năm 2050.

  • Phương pháp phân tích: Mô hình hóa dòng thấm và ổn định đập đất bằng phần mềm GEOSTUDIO, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán thấm và phân tích cân bằng giới hạn để đánh giá ổn định mái đập. Các phương pháp tính toán được lựa chọn phù hợp với đặc điểm vật liệu địa phương và điều kiện vận hành hồ chứa.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng một năm, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô hình hóa, tính toán và đề xuất giải pháp kỹ thuật. Quá trình nghiên cứu kết hợp khảo sát thực tế, phân tích số liệu và mô phỏng kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tình trạng hiện tại của hồ chứa Bà Râu: Hồ có dung tích thiết kế khoảng 46.000 m³, phục vụ tưới cho 300 ha đất. Tuy nhiên, do nhu cầu sử dụng tăng và quy hoạch mở rộng khu công nghiệp, dung tích hữu ích hiện tại không đáp ứng đủ, gây thiếu nước tưới trong mùa khô.

  2. Ảnh hưởng của việc nâng cao mực nước đập: Việc nâng cao mực nước dâng bình thường (MNDBT) làm tăng dung tích hữu ích hồ chứa khoảng 10-15%, đồng thời làm tăng gradient áp lực thấm trong thân đập, dẫn đến nguy cơ mất ổn định thấm và trượt mái đập. Hệ số an toàn chống trượt giảm từ khoảng 1,5 xuống còn 1,2-1,3 tùy theo giải pháp nâng cấp.

  3. Hiệu quả các giải pháp nâng cấp đập đất: Giải pháp đắp áp trúc thượng lưu giúp tăng ổn định thấm và nâng cao hệ số an toàn lên trên 1,4, đồng thời tăng dung tích hữu ích hồ lên khoảng 12%. Giải pháp đắp áp trúc hạ lưu có ưu điểm thi công dễ dàng nhưng hệ số an toàn thấp hơn, chỉ khoảng 1,3. Giải pháp kết hợp đắp áp trúc và xây tường chắn sóng trên đỉnh đập mang lại sự đồng bộ về kết cấu, tăng dung tích hữu ích lên 15% và hệ số an toàn đạt 1,45.

  4. Mô hình hóa dòng thấm và ổn định mái đập: Sử dụng phần mềm GEOSTUDIO cho thấy dòng thấm tăng rõ rệt khi nâng cao mực nước, đặc biệt tại các vị trí tiếp giáp giữa đập cũ và phần đắp mới. Việc tạo bậc thang trên mái đập và sử dụng vật liệu có hệ số thấm thấp giúp giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng độ ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm ổn định khi nâng cao mực nước là do tăng gradient áp lực thấm và áp lực nước lỗ rỗng trong thân đập, làm giảm sức kháng cắt của đất. Kết quả mô hình hóa phù hợp với các nghiên cứu trước đây về đập đất tại các vùng khô hạn, cho thấy cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa lợi ích tăng dung tích và nguy cơ mất ổn định.

So sánh với các hồ chứa tương tự trong tỉnh Ninh Thuận như hồ CK7 và hồ Thành Sơn, giải pháp đắp áp trúc thượng lưu được đánh giá là hiệu quả nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc áp dụng phần mềm GEOSTUDIO giúp mô phỏng chính xác dòng thấm và phân tích ổn định, hỗ trợ lựa chọn giải pháp tối ưu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số an toàn trước và sau nâng cấp, bảng tổng hợp dung tích hữu ích và sơ đồ mặt cắt đập thể hiện các giải pháp đắp áp trúc và tường chắn sóng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện giải pháp đắp áp trúc thượng lưu: Tăng chiều cao đập phía thượng lưu bằng vật liệu có hệ số thấm thấp, tạo bậc thang mái đập để nâng cao dung tích hữu ích khoảng 12-15%. Thời gian thi công dự kiến 6-8 tháng, do Công ty quản lý hồ chứa phối hợp với đơn vị thi công thực hiện.

  2. Xây dựng tường chắn sóng trên đỉnh đập: Kết hợp với giải pháp đắp áp trúc để tăng độ ổn định tổng thể, giảm nguy cơ xói mòn và sạt lở mái đập. Thời gian thi công 3-4 tháng, chủ yếu tập trung vào phần đỉnh đập.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng địa kỹ thuật trong thiết kế và giám sát: Áp dụng GEOSTUDIO để theo dõi dòng thấm và ổn định đập trong quá trình vận hành, phát hiện sớm các nguy cơ mất ổn định để có biện pháp xử lý kịp thời.

  4. Tăng cường công tác bảo trì, kiểm tra định kỳ: Định kỳ kiểm tra áp lực nước lỗ rỗng, dòng thấm và biến dạng đập, đặc biệt sau các đợt mưa lớn hoặc lũ lụt. Chủ thể thực hiện là Ban quản lý công trình thủy lợi tỉnh Ninh Thuận, phối hợp với các đơn vị chuyên môn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế công trình thủy lợi: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn giải pháp nâng cấp đập đất phù hợp với điều kiện địa phương, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

  2. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi: Áp dụng các khuyến nghị trong quản lý vận hành hồ chứa, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi, địa kỹ thuật: Tham khảo phương pháp mô hình hóa dòng thấm và phân tích ổn định mái đập bằng phần mềm GEOSTUDIO, cũng như các giải pháp kỹ thuật nâng cấp đập đất.

  4. Chính quyền địa phương và các nhà hoạch định chính sách: Hiểu rõ tầm quan trọng của việc nâng cao dung tích hồ chứa trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế xã hội, từ đó có chính sách hỗ trợ phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nâng cao dung tích hữu ích của hồ chứa Bà Râu?
    Nhu cầu sử dụng nước tăng do phát triển kinh tế xã hội và mở rộng khu công nghiệp, trong khi dung tích hiện tại không đáp ứng đủ, gây thiếu nước tưới và sinh hoạt. Nâng cao dung tích giúp đảm bảo nguồn nước ổn định, giảm thiểu rủi ro thiếu nước trong mùa khô.

  2. Giải pháp đắp áp trúc thượng lưu có ưu điểm gì?
    Giải pháp này tăng ổn định thấm, giảm dòng thấm qua đập, nâng cao hệ số an toàn và dung tích hữu ích hồ chứa. Thi công nhanh trong mùa khô, không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động hiện tại của hồ.

  3. Phần mềm GEOSTUDIO được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    GEOSTUDIO mô phỏng dòng thấm và phân tích ổn định mái đập bằng phương pháp phần tử hữu hạn, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của việc nâng cao mực nước và lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.

  4. Các rủi ro khi nâng cao mực nước đập đất là gì?
    Tăng gradient áp lực thấm làm giảm sức kháng cắt của đất, gây nguy cơ mất ổn định thấm, trượt mái đập và sụp đổ. Cần thiết kế và thi công giải pháp kỹ thuật để đảm bảo an toàn kết cấu.

  5. Làm thế nào để kiểm soát an toàn đập sau khi nâng cấp?
    Thực hiện kiểm tra định kỳ áp lực nước lỗ rỗng, dòng thấm, biến dạng đập; sử dụng thiết bị giám sát hiện đại; áp dụng mô hình mô phỏng để dự báo và xử lý kịp thời các nguy cơ mất ổn định.

Kết luận

  • Hồ chứa Bà Râu hiện chưa đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước do dung tích hữu ích hạn chế và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội tăng cao.
  • Việc nâng cao mực nước đập đất làm tăng dung tích hữu ích khoảng 12-15% nhưng cũng làm tăng nguy cơ mất ổn định thấm và trượt mái đập.
  • Giải pháp đắp áp trúc thượng lưu kết hợp xây tường chắn sóng trên đỉnh đập được đánh giá là tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế.
  • Mô hình hóa dòng thấm và ổn định đập bằng phần mềm GEOSTUDIO là công cụ hiệu quả hỗ trợ thiết kế và giám sát công trình.
  • Khuyến nghị triển khai giải pháp nâng cấp trong vòng 1 năm, đồng thời tăng cường công tác bảo trì và giám sát để đảm bảo an toàn vận hành.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công cần phối hợp triển khai nghiên cứu chi tiết thiết kế kỹ thuật, lập kế hoạch thi công và giám sát chặt chẽ quá trình nâng cấp đập nhằm đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình.