Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Hoàng Long, với diện tích khoảng 1.550 km², là hợp lưu của ba con sông chính: sông Bôi, sông Đập và sông Lạng. Đây là con sông lớn nhất tỉnh Ninh Bình, có chiều dài lưu vực 125 km và độ dốc trung bình 9,6%. Trong những năm gần đây, các công trình thủy lợi trên lưu vực này đóng vai trò quan trọng trong việc giảm nhẹ thiên tai, bảo vệ dân sinh và phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, các sự cố công trình, đặc biệt là sự cố sạt trượt tràn Lạc Khoái trong mùa mưa lũ năm 2009, đã gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và xã hội, ảnh hưởng đến an toàn dân cư và hoạt động sản xuất nông nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định nguyên nhân gây ra sự cố sạt trượt tràn Lạc Khoái thuộc dự án nâng cấp đê hữu sông Hoàng Long, tỉnh Ninh Bình, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm ổn định và khắc phục sự cố này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích địa chất, thủy văn, tính toán ổn định mái đốc và bài toán thấm của tràn trong giai đoạn từ năm 2008 đến 2010, tại khu vực xã Gia Lạc, huyện Gia Viễn, tỉnh Ninh Bình. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao độ an toàn công trình thủy lợi, giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội vùng hạ du sông Hoàng Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính: lý thuyết thấm trong công trình thủy và lý thuyết ổn định mái đốc đất.

  1. Lý thuyết thấm: Nghiên cứu vận động của nước trong môi trường đất đá theo định luật Darcy, với giả thiết đất là môi trường đồng nhất, đẳng hướng và dòng thấm ổn định. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải bài toán thấm có áp, xác định áp lực nước lỗ rỗng, gradient thấm và lưu lượng thấm qua tràn. Bộ phần mềm GeoStudio 2004, đặc biệt là modul Seep/W, được ứng dụng để mô phỏng dòng thấm trong điều kiện thực tế phức tạp.

  2. Lý thuyết ổn định mái đốc: Dựa trên khái niệm cân bằng giới hạn, phân tích trạng thái cân bằng của khối đất mái đốc tràn, xác định góc nội ma sát giới hạn và lực dính đất. Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với modul Slope/W trong GeoStudio được sử dụng để tính toán kiểm tra ổn định mái đốc, đánh giá nguy cơ sạt trượt và đề xuất biện pháp gia cố.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực nước lỗ rỗng, gradient thấm, lưu lượng thấm, góc nội ma sát, lực dính đất, cân bằng giới hạn, và mô hình phần tử hữu hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa chất, thủy văn, kết cấu công trình và hiện trường tràn Lạc Khoái thu thập từ Ban chỉ huy phòng chống lụt bão tỉnh Ninh Bình và các cơ quan liên quan. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ khu vực tràn Lạc Khoái và vùng phân lũ liên quan, với dữ liệu mưa lũ từ năm 2007 đến 2009.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Đánh giá sơ bộ sự cố dựa trên hồ sơ dự án và khảo sát hiện trường.
  • Tính toán bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Seep/W, mô phỏng dòng thấm có áp trong tràn.
  • Phân tích ổn định mái đốc bằng phần mềm Slope/W, xác định các yếu tố gây mất ổn định.
  • So sánh kết quả tính toán với các trận lũ lớn trong quá khứ (1985, 1996, 2007) để đánh giá ảnh hưởng thủy lực.
  • Đề xuất các biện pháp kỹ thuật khắc phục dựa trên kết quả phân tích.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2010 đến tháng 12/2010, bao gồm thu thập dữ liệu, phân tích mô hình, kiểm tra hiện trường và hoàn thiện đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân sạt trượt mái thượng lưu tràn Lạc Khoái: Sự cố xảy ra trong mùa mưa lũ tháng 6/2009 với chiều dài đoạn tràn bị sạt trượt khoảng 200 m. Nguyên nhân chính là do khảo sát địa chất nén chưa đầy đủ, vật liệu đắp tràn có hàm lượng cát, bụi đá sạn cao, hàm lượng sét thấp, dẫn đến đất bị tan rã khi thấm nước. Thi công không đảm bảo độ chặt theo thiết kế, tạo thành các lớp đất yếu phân tầng, làm mất ổn định mái đốc.

  2. Kết quả tính toán thấm: Phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy áp lực nước lỗ rỗng tại mái thượng lưu tăng cao trong mùa lũ, lưu lượng thấm qua tràn đạt khoảng 0,15 m³/s/m, gradient thấm vượt ngưỡng an toàn, góp phần làm giảm sức kháng của đất và gây sạt trượt.

  3. Phân tích ổn định mái đốc: Tính toán bằng phần mềm Slope/W xác định hệ số an toàn mái đốc giảm xuống dưới 1,0 trong điều kiện mưa lũ cao điểm, đặc biệt tại các vị trí có lớp đất yếu và áp lực nước lỗ rỗng lớn. So sánh với các nghiên cứu tương tự cho thấy mức độ mất ổn định tương đương với các sự cố tràn khác trong khu vực.

  4. Ảnh hưởng của vận hành tràn: Việc mở 24 khoang cửa tràn để phân lũ và vận hành tràn sự cố bằng máy xúc không kiểm soát được áp lực thấm và tải trọng đất, làm gia tăng nguy cơ sạt trượt. Thiết bị tiêu nước tại mái thượng lưu không hoạt động hiệu quả, dẫn đến nước thấm tích tụ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân sạt trượt tràn Lạc Khoái là sự kết hợp của yếu tố địa chất phức tạp, vật liệu đắp không đạt yêu cầu và vận hành tràn chưa tối ưu. Kết quả mô phỏng thấm và ổn định mái đốc cho thấy áp lực nước lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sức kháng đất, làm tăng nguy cơ mất ổn định. So với các trận lũ lớn trong quá khứ, sự cố năm 2009 xảy ra trong điều kiện mưa kéo dài và mực nước sông Hoàng Long biến động nhanh, làm gia tăng áp lực thủy lực lên tràn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian, bản đồ phân bố gradient thấm và bảng hệ số an toàn mái đốc tại các vị trí khác nhau. Việc sử dụng phần mềm GeoStudio giúp mô phỏng chính xác các điều kiện thực tế, hỗ trợ đánh giá toàn diện nguyên nhân và đề xuất giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cố mái đốc tràn Lạc Khoái: Thực hiện gia cố bằng vật liệu có hàm lượng sét cao, tăng độ chặt đất theo thiết kế, sử dụng biện pháp cọc bê tông cốt thép hoặc địa kỹ thuật để tăng cường ổn định mái đốc. Mục tiêu nâng hệ số an toàn lên trên 1,3 trong vòng 12 tháng, do Ban quản lý dự án phối hợp với đơn vị thi công thực hiện.

  2. Cải thiện hệ thống tiêu nước: Lắp đặt và vận hành hiệu quả thiết bị tiêu nước tại mái thượng lưu để giảm áp lực nước lỗ rỗng, hạn chế thấm nước tích tụ. Thời gian hoàn thành trong 6 tháng, do đơn vị quản lý công trình chịu trách nhiệm.

  3. Tối ưu hóa phương án vận hành tràn: Xây dựng quy trình vận hành tràn phân lũ và tràn sự cố khoa học, hạn chế mở cửa tràn đồng loạt, kết hợp theo dõi mực nước và áp lực thấm để điều chỉnh kịp thời. Áp dụng trong mùa mưa lũ tiếp theo, do Ban chỉ huy phòng chống lụt bão tỉnh chủ trì.

  4. Theo dõi và giám sát liên tục: Thiết lập hệ thống quan trắc áp lực nước, chuyển vị mái đốc và lưu lượng thấm để giám sát diễn biến công trình sau gia cố. Thực hiện trong vòng 24 tháng, do Trung tâm quan trắc và đơn vị tư vấn kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư xây dựng công trình thủy: Nghiên cứu phương pháp tính toán thấm và ổn định mái đốc, áp dụng phần mềm GeoStudio trong thiết kế và kiểm tra an toàn công trình.

  2. Cơ quan quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng quy trình vận hành tràn phân lũ, đề xuất biện pháp gia cố và giám sát công trình nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Tham khảo khung lý thuyết, phương pháp phân tích và ứng dụng phần mềm trong xử lý sự cố công trình thủy lợi.

  4. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển nông thôn: Hiểu rõ tác động của sự cố tràn đến đời sống dân cư, từ đó phối hợp triển khai các giải pháp ổn định và phát triển kinh tế - xã hội vùng phân lũ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây sạt trượt tràn Lạc Khoái là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do vật liệu đắp tràn không đạt yêu cầu, địa chất phức tạp và áp lực nước lỗ rỗng tăng cao trong mùa mưa lũ, làm giảm sức kháng đất và gây mất ổn định mái đốc.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán thấm trong luận văn?
    Phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm GeoStudio modul Seep/W được sử dụng để mô phỏng dòng thấm có áp, xác định áp lực nước và lưu lượng thấm qua tràn.

  3. Giải pháp nào được đề xuất để khắc phục sự cố?
    Gia cố mái đốc bằng vật liệu thích hợp, cải thiện hệ thống tiêu nước, tối ưu hóa phương án vận hành tràn và thiết lập hệ thống giám sát liên tục là các giải pháp chính.

  4. Tại sao việc vận hành tràn lại ảnh hưởng đến sự cố?
    Việc mở cửa tràn đồng loạt và thiết bị tiêu nước không hoạt động hiệu quả làm tăng áp lực thấm và tải trọng đất, làm gia tăng nguy cơ sạt trượt.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các công trình khác không?
    Có, phương pháp tính toán và giải pháp đề xuất có thể áp dụng cho các công trình thủy lợi tương tự có điều kiện địa chất và thủy văn phức tạp nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả vận hành.

Kết luận

  • Xác định rõ nguyên nhân sạt trượt tràn Lạc Khoái là do vật liệu đắp không đạt, khảo sát địa chất chưa đầy đủ và áp lực nước lỗ rỗng tăng cao trong mùa mưa lũ.
  • Ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm GeoStudio trong tính toán thấm và ổn định mái đốc, cung cấp kết quả chính xác và thực tiễn.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật gia cố mái đốc, cải thiện hệ thống tiêu nước và tối ưu hóa vận hành tràn nhằm nâng cao độ an toàn công trình.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, góp phần giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và phát triển bền vững vùng phân lũ sông Hoàng Long.
  • Khuyến nghị triển khai giám sát liên tục và áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình thủy lợi tương tự trong khu vực.

Tiếp theo, cần tiến hành thực hiện các giải pháp đề xuất và theo dõi hiệu quả trong các mùa mưa lũ tiếp theo để đảm bảo an toàn công trình và vùng hạ du. Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công được khuyến khích phối hợp chặt chẽ trong quá trình triển khai.