Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu xử lý vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên" do nghiên cứu sinh Mai Thị Hồng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Trọng Tư và GS. Lê Kim Truyền tại Trường Đại học Thủy lợi. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi (nghiên cứu thực hiện tại Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Khoa Công trình cùng sự hỗ trợ thử nghiệm của Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật Trường Đại học Thủy lợi và Trường Đại học Hồng Đức).

Về tính cấp thiết, khu vực Tây Nguyên là đầu nguồn của 4 hệ thống sông chính: sông Pô Kô - Sê San (tỉnh Kon Tum, đổ vào sông Mê Kông), sông Ba - Ayun (tỉnh Gia Lai, đổ vào sông Đà Rằng ra biển Đông), sông Sêrêpôk (tỉnh Đắk Lắk, đổ vào sông Mê Kông) và sông Đồng Nai (tỉnh Đắk Nông và Lâm Đồng, chảy ra biển Đông). Mặc dù tổng lượng nước tiềm năng lớn nhưng lượng nước phân bố không đồng đều theo mùa dẫn đến tình trạng thiếu nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt diễn ra gay gắt. Toàn vùng có hơn 1.000 hồ chứa thủy lợi lớn nhỏ, phần lớn là đập đất đầm nén xây dựng từ thập niên 1980 - 1990 với điều kiện kỹ thuật hạn chế. Nhiều công trình hiện đã xuống cấp nghiêm trọng, xuất hiện hiện tượng thấm qua thân đập, nứt nẻ và sạt lở mái. Nhu cầu dùng nước dự báo tăng cao (nông nghiệp tăng 11-12%, công nghiệp tăng 1,8 lần, sinh hoạt tăng 1,0 lần), đòi hỏi phải nâng cấp, sửa chữa các hồ chứa hiện hữu. Tuy nhiên, việc khai thác các mỏ đất đắp nguyên thổ truyền thống gặp khó khăn do đất đai đã được quy hoạch trồng cây công nghiệp dài ngày (cà phê, cao su). Do đó, việc nghiên cứu tận dụng nguồn vật liệu tại chỗ là đất bồi tích trẻ tại lòng hồ, sông suối có ý nghĩa kỹ thuật và kinh tế thiết thực.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là: các công trình trước đây tại Tây Nguyên chủ yếu nghiên cứu đất nguyên thổ phong hóa từ đá bazan lâu đời, chưa có nghiên cứu chuyên sâu về việc xử lý, cải tạo các loại đất bồi tích trẻ (vốn có khối lượng thể tích khô nhỏ, thấm nước lớn và tính tan rã mạnh) để tái sử dụng làm vật liệu đắp đập.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 3 nội dung cụ thể:

  1. Xác định hàm lượng dăm sạn hợp lý để tăng dung trọng khô của đất đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất;
  2. Xác định hàm lượng ximăng hợp lý để giảm tính tan rã của đất có chứa nhiều dăm sạn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất;
  3. Xác định hàm lượng ximăng và vôi hợp lý để giảm tính thấm của đất có chứa nhiều dăm sạn đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế nâng cấp, sửa chữa đập đất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Các đập đất thủy lợi quy mô vừa và nhỏ; đất bồi tích trẻ có khối lượng thể tích khô nhỏ, tính thấm lớn, tan rã mạnh; dăm sạn có đường kính hạt $d \le 10$ mm; chất kết dính vô cơ gồm xi măng và vôi.
  • Phạm vi: Địa bàn các tỉnh thuộc khu vực Tây Nguyên; loại xi măng thí nghiệm là xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB30.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã điểm lại các nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đập vật liệu tại chỗ, đặc tính đất Tây Nguyên và kỹ thuật gia cố đất bằng chất kết dính:

Trên thế giới:

  • Nhichiporovich phân loại các nhóm đất đắp đập chính trên thế giới gồm đất trầm tích (aluvi), sườn tàn tích, tàn tích và đất hoàng thổ.
  • Sherard, J. nghiên cứu hiện tượng vỡ đập đối với đất có tính tan rã, chỉ ra tỷ lệ vỡ đập xảy ra chủ yếu sau lần tích nước đầu tiên và đề xuất giải pháp trộn vôi bột kiểm tra bằng thí nghiệm Pinhole test.
  • Nelson, J. (1992) phân tích cơ chế trương nở của đất phụ thuộc vào hàm lượng hạt keo có kích thước $d < 0,0001$ mm và lực liên kết bề mặt.
  • Wightman công bố biểu đồ quan hệ giữa công năng đầm nén, dung trọng khô lớn nhất và độ ẩm tốt nhất.
  • Mitchell và Freitag tổng kết tỷ lệ xi măng gia cố cho từng loại đất: đất chứa sỏi, cát hạt thô/mịn dùng $\le 5%$; đất cát xấu dùng $9%$; đất sét dẻo dùng $\ge 13%$.
  • Hisaa Aboshi và Nashahiko Kuwabara (Nhật Bản) khảo sát trên 100 công trình gia cố đất yếu bằng xi măng hàm lượng 50 - 450 kg/m³, kết luận hiệu quả cải thiện cường độ trên đất bùn sét thấp hơn trên đất cát cuội sỏi.
  • Shiells và cộng sự so sánh định mức xi măng giữa phương pháp trộn ướt (180 - 400 kg/m³) và phương pháp trộn khô (90 - 180 kg/m³).
  • Law (Viện Kỹ thuật Châu Á) thí nghiệm trộn 5% xi măng vào đất sét yếu Bangkok giúp độ bền nén nở hông tăng 10 lần, hệ số cố kết tăng 10 - 40 lần.
  • Meei-Hoan Ho và Chee-Ming Chan (Malaysia) thử nghiệm đất sét yếu với 0%, 5%, 10% xi măng, chỉ ra chỉ số nén lún và hệ số cố kết giảm rõ rệt khi tăng hàm lượng xi măng.
  • Nguyễn Duy Quang và cộng sự gia cố bùn nạo vét vịnh Ariake (Nhật Bản) bằng vôi và xi măng ở các mức 2%, 4%, 6%, 8%; khẳng định cường độ kháng nén một trục của đất trộn vôi cao hơn đất trộn xi măng do độ pH cao thúc đẩy phản ứng pozzolanic.
  • Huat và cộng sự nghiên cứu đất bùn nhiệt đới Malaysia trộn 5 - 15% xi măng và 5 - 25% vôi.
  • Uddin và cộng sự xác định mối quan hệ gần như tuyến tính giữa hàm lượng xi măng và cường độ chịu lực của đất.

Tại Việt Nam:

  • Nguyễn Công Mẫn, Nguyễn Văn Thơ, Phạm Văn Thìn khảo sát đất đỏ bazan Tây Nguyên, chỉ ra đất có độ rỗng tự nhiên cao ($n = 55 - 65%$), khi ngấm nước đạt độ bão hòa $G > 70%$ thì sức chống cắt giảm trên 50%, gây lún ướt đập.
  • Phạm Văn Thìn nghiên cứu đất bazan không kết von laterit có dung trọng khô lớn nhất 1,2 - 1,41 g/cm³, khi chứa kết von laterit đạt 1,6 - 1,8 g/cm³, đồng thời đề xuất công thức tính sức kháng cắt và hệ số thấm cho đất chứa kết von.
  • Nguyễn Văn Thơ và Trần Thị Thanh xác định thành phần khoáng vật đất đỏ bazan chủ yếu là kaolinite, hầu như không chứa montmorillonite nên không có tính trương nở.
  • Phạm Văn Cơ, Nguyễn Hữu Ký và Lê Thanh Bình khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hạt thô ($N$): khi $N < 50%$ đất thích hợp chống thấm; khi $N = 70 - 80%$ đất nâng cao độ chặt và sức chịu tải nhưng hệ số thấm tăng.
  • Hoàng Minh Dũng, Trần Văn Hiển và Phạm Vũ Dậu nghiên cứu giải pháp đắp đập nhiều khối; trong đó khối chống thấm đầm nén đạt $K \ge 0,94$, khối chịu lực đạt $K = 0,97$; đất tan rã và trương nở được bố trí ở giữa thân đập dưới khối gia tải.
  • Nguyễn Văn Thơ nghiên cứu thực nghiệm độ tan rã của đất miền Trung: đất phong hóa bazan tan rã 100% sau 5 - 10 phút, đất phong hóa granite tan rã 100% sau 3 - 7 phút, trong khi đất trầm tích aluvi chỉ tan rã 5 - 10% sau 2880 phút.
  • Lê Xuân Roanh kiến nghị bổ sung 1 - 3% vôi để chống tan rã đất đắp miền Trung.
  • Lê Quang Thế nghiên cứu công nghệ đầm nén và kiểm soát độ ẩm thi công đất bazan Tây Nguyên.
  • Nguyễn Quốc Dũng và cộng sự cải tạo đất than bùn hóa Kiên Giang bằng xi măng kết hợp lượng vôi bằng 2 - 4% lượng xi măng.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu trong nước tập trung vào đất nguyên thổ bazan hoặc gia cố xi măng nhằm tăng cường độ cho nền móng giao thông. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán xử lý vật liệu bồi tích trẻ có tính chất bất lợi (dung trọng khô thấp, thấm lớn, tan rã mạnh) bằng cách kết hợp cấp phối dăm sạn với chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi) nhằm đáp ứng đồng thời yêu cầu chống thấm, chống tan rã và ổn định thân đập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích:

  • Cơ sở cơ học đất và đầm nén: Dựa trên lý thuyết đầm nén Proctor theo TCVN 8297-2009 để khảo sát quan hệ giữa độ ẩm tốt nhất ($W_{opt}$) và khối lượng thể tích khô lớn nhất ($\gamma_{cmax}$). Đánh giá ảnh hưởng của thành phần cấp phối hạt (đường cong tích lũy hạt, hệ số đồng nhất $C_u$, hệ số cấp phối $C_c$).
  • Cơ sở lý thuyết thấm và ổn định: Nguyên lý thấm qua môi trường rỗng, gradient thấm cho phép ($[J]$) theo tiêu chuẩn thiết kế đập đất đầm nén TCVN 8297-2009 nhằm ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm và trôi đất.
  • Cơ sở hóa lý cải tạo đất bằng chất kết dính: Cơ chế tương tác giữa khoáng vật sét (cấu trúc phiến tứ diện silic-oxy và bát diện nhôm-oxy, lớp khuếch tán đôi) với xi măng và vôi. Quá trình thủy hóa xi măng tạo ra các tinh thể hydrat canxi silicat liên kết các hạt đất; quá trình trao đổi ion $Ca^{2+}$ và phản ứng pozzolanic giữa vôi với các khoáng sét mịn giúp kết tụ hạt sét, làm sít đặc cấu trúc lỗ rỗng, giảm tính thấm và triệt tiêu tính tan rã khi tiếp xúc với nước.
  • Cơ sở cấp phối hạt thô: Chèn các hạt dăm sạn ($d \le 10$ mm) vào nền đất hạt mịn để hình thành bộ khung chịu lực, tăng góc ma sát trong ($\varphi$) và tăng khối lượng thể tích khô.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về cơ học đất, công nghệ đắp đập và xử lý vật liệu.
  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Chế bị các tổ hợp mẫu đất bồi tích trộn dăm sạn (ở các tỷ lệ khác nhau), mẫu trộn xi măng và mẫu trộn tổ hợp xi măng - vôi. Tiến hành các thí nghiệm tiêu chuẩn: thành phần hạt (phương pháp sàng và tỷ trọng kế), dung trọng khô và độ ẩm tối ưu (đầm nén tiêu chuẩn), sức kháng cắt (máy cắt phẳng xác định lực dính $C$ và góc ma sát trong $\varphi$), tính nén lún (mô đun biến dạng $E$), tính trương nở, tính co ngót, tính tan rã và hệ số thấm ($k$).
  • Phương pháp chuyên gia: Thu thập, tiếp thu ý kiến từ các chuyên gia thông qua hội thảo khoa học chuyên ngành.
  • Phương pháp tính toán mô hình ứng dụng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán trường thấm và hệ số an toàn ổn định mái đập thượng, hạ lưu trong điều kiện hiện trạng và sau khi áp dụng giải pháp đắp áp trúc bằng đất gia cố.

Nguồn tư liệu và dữ liệu:

  • Mẫu đất thực tế: Lấy tại 3 bãi vật liệu bồi tích trẻ (ký hiệu mẫu MA, MB, MC) tại các lòng hồ, bãi bồi sông suối khu vực Tây Nguyên.
  • Vật liệu gia cố: Xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB30, vôi bột công nghiệp, dăm sạn chọn lọc kích thước hạt $d \le 10$ mm.
  • Số liệu công trình thực tế: Hồ chứa nước Buôn Sa (Tây Nguyên) gồm số liệu địa hình, địa chất, mặt cắt đập và thực trạng hư hỏng.
  • Dữ liệu thứ cấp: Số liệu thống kê đập thế giới của ICOLD, số liệu 6.886 hồ chứa của Tổng cục Thủy lợi và số liệu thống kê 732 đập đất vừa và nhỏ ở Tây Nguyên.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đập sử dụng vật liệu tại chỗ và đập đất ở Tây Nguyên

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử phát triển đập đất trên thế giới và tại Việt Nam. Theo thống kê của Hội đập lớn thế giới (ICOLD), thế giới có 58.519 đập lớn ($H \ge 15$ m), trong đó đập vật liệu tại chỗ chiếm 76% (đập đất chiếm 63%).

TT Quốc gia Số lượng đập TT Quốc gia Số lượng đập
1 Trung Quốc 22.000 9 Brazin 594
2 Mỹ 6.575 10 Pháp 569
3 Ấn Độ 4.291 14 Vương Quốc Anh 517
4 Nhật Bản 2.675 16 Việt Nam 460
5 Tây Ban Nha 1.196 22 Thái Lan 204
6 Canada 793 31 Nga 91

Tại Việt Nam, cả nước hiện có 6.886 hồ chứa với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m³ nước, gồm 6.648 hồ thủy lợi (96,5%) và 238 hồ thủy điện (3,5%).

Dung tích hồ (triệu m³) > 10 3 - 10 1 - 3 0,2 - 1 $\le$ 0,2 Tổng số
Số lượng hồ 124 578 363 2.335 3.248 6.648

Tại Tây Nguyên, toàn vùng có 2.352 công trình thủy lợi (1.190 hồ chứa, 970 đập dâng, 130 trạm bơm, 62 công trình khác). Diện tích tưới thiết kế đạt 289.604 ha nhưng tưới thực tế mới đạt 215.765 ha (lúa 83.465 ha, cây công nghiệp 117.735 ha, hoa màu 14.565 ha), chỉ đáp ứng 27,94% so với nhu cầu tưới 772.189 ha. Nhu cầu dùng nước dự báo tăng từ 11 tỷ m³/năm (2015) lên 12 tỷ m³/năm (2030), dự kiến thiếu hụt 5,5 tỷ m³/năm. Thống kê hư hỏng tại 732 đập đất vừa và nhỏ ở Tây Nguyên cho thấy:

Nguyên nhân hư hỏng Do mưa lũ Do địa chất Do thấm Do mất ổn định Tổng số hư hỏng
Số lượng đập bị sự cố 73 25 76 91 265
Tỷ lệ phần trăm (%) - - - - 27,34%

Chương này phân tích các nguyên nhân gây sự cố đập qua 5 giai đoạn: lập dự án đầu tư, khảo sát tài liệu, thiết kế, thi công và quản lý vận hành. Các sự cố điển hình ở Việt Nam do vật liệu đắp được nêu rõ:

  • Đập Suối Hành (Khánh Hòa): Khởi công tháng 10/1984, hoàn công tháng 9/1986, bị vỡ đêm 03/12/1986. Nguyên nhân do gộp hai bãi vật liệu A và B có đặc tính trái ngược làm một loại đất đồng chất; chọn dung trọng khô thiết kế 1,7 T/m³ thấp hơn dung trọng tự nhiên 1,87 T/m³; đất bãi A trương nở, đất bãi B tan rã và lún ướt; quy định độ ẩm thiết kế $W = 18%$ chung cho cả hai loại đất.
  • Đập Suối Trầu (Khánh Hòa): Bị vỡ 3 lần vào ngày 12/11/1977, 05/11/1978 và 19/11/1979 do chọn dung trọng khô thiết kế 1,5 T/m³ trong khi đất tự nhiên là 1,8 T/m³; khi thi công có 32% mẫu không đạt yêu cầu độ chặt.
  • Đập Am Chúa (Khánh Hòa): Xây dựng năm 1987, sự cố xảy ra tháng 10/1989 và tháng 10/1992 do thấm mạnh qua thân đập vì không phân tách bãi vật liệu không đồng nhất.

Chương 2: Cơ sở khoa học cải thiện vật liệu bồi tích trẻ đáp ứng yêu cầu nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên

Chương 2 làm rõ đặc điểm các nhóm đất đắp đập tại Tây Nguyên:

  • Đất Aluvi: Gồm aluvi cổ (thung lũng sông Pô Kô, sông Ba, sông Đồng Nai) và aluvi trẻ (bãi bồi, lòng sông, thềm sông có chiều dày $< 5$ m). Đất ở trạng thái tự nhiên có $\gamma_c = 1,6$ T/m³, $W = 20 - 25%$, hàm lượng sét 15 - 35%, khi bão hòa có $\varphi = 16 - 20^\circ$, $C = 0,4$ kG/cm², hệ số thấm $k = 10^{-4} - 10^{-5}$ cm/s. Diện tích phân bố hẹp, phần lớn bị ngập nước lòng hồ.
  • Sườn tàn tích và tàn tích: Đất bazan trẻ $B(Q_{II-IV})$ có chiều dày tầng phong hóa $< 5$ m, chứa nhiều đá tảng khó khai thác. Đất bazan cổ $B(N_{II}-Q_I)$ dày 20 - 30 m, phân bố thành 3 lớp: Lớp 1 ($edQ$) dày 1 - 3 m là đất sét - á sét nâu đỏ; Lớp 2 ($eQ$) loang lổ chứa 20 - 70% hạt thô $d > 2$ mm đầm nén đạt dung trọng khô cao; Lớp 3 ($eQ$) màu tím gan gà có dung trọng khô thấp. Đất trầm tích lục nguyên, biến chất (Gơnai) và xâm nhập sâu (Granit) có tính chất cơ lý biến động lớn.

Về nguyên tắc bố trí vật liệu trong mặt cắt đập:

  • Đất có hệ số thấm $k < 1 \times 10^{-4}$ cm/s, không lún ướt, không tan rã, không trương nở được bố trí ở khối chống thấm trung tâm.
  • Đất có $k > 1 \times 10^{-4}$ cm/s, hoặc có tính lún ướt, tan rã mạnh không được bố trí ở vùng thượng lưu và chân khay mà chỉ bố trí ở vùng hạ lưu kèm biện pháp tiêu thoát nước. Đất trương nở phải được xử lý hoặc bố trí ở vùng chịu tải tĩnh lớn.

Về giải pháp kỹ thuật cải tạo: Phân tích 3 giải pháp gồm thay đổi thành phần cỡ hạt (phối trộn dăm sạn), sử dụng chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi) và chất kết dính hữu cơ (bitum). Trong đó, luận án đi sâu vào cơ sở hóa lý của hỗn hợp đất - xi măng - vôi: phản ứng thủy hóa của xi măng tạo hydrat canxi silicat dạng keo cứng; vôi phản ứng hấp thụ nước dư thừa, giảm độ ẩm của đất tự nhiên và phản ứng với khoáng sét tạo liên kết bền, ngăn ngừa quá trình phân rã hạt sét khi ngập nước.

Chương 3: Nghiên cứu cải thiện một số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp đập đất ở Tây Nguyên

Chương 3 trình bày các kết quả thí nghiệm trong phòng trên 3 mẫu đất bồi tích trẻ (MA, MB, MC) lấy tại khu vực Tây Nguyên:

  • Đặc tính ban đầu của đất bồi tích trẻ: Hàm lượng hạt mịn chiếm tỷ lệ cao nhưng cấp phối không đều, khối lượng thể tích khô tự nhiên thấp, tính thấm lớn ($k > 10^{-4}$ cm/s) và đặc biệt có tính tan rã rất nhanh khi tiếp xúc với nước (mẫu đất tự nhiên tan rã hoàn toàn chỉ sau vài phút ngâm nước).
  • Nghiên cứu giải pháp tăng khả năng chống thấm bằng chất kết dính: Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xi măng và vôi đến hệ số thấm của đất. Kết quả xác định khi phối trộn tổ hợp 2% xi măng và 3% vôi, hệ số thấm của hỗn hợp đất giảm xuống rõ rệt ($k \le 1 \times 10^{-5}$ cm/s), đáp ứng yêu cầu chống thấm của vật liệu đắp thân đập theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Các chỉ tiêu cơ lý sau khi trộn 2% xi măng và 3% vôi đều đạt độ ổn định cao.
  • Nghiên cứu giải pháp chống tan rã: Thí nghiệm xác định thời gian tan rã của mẫu đất theo hàm lượng xi măng phối trộn. Kết quả cho thấy khi hàm lượng xi măng đạt 5%, mẫu đất không còn bị tan rã trong nước, cấu trúc đất duy trì tính liên kết bền vững kể cả trong điều kiện bão hòa nước lâu ngày; các chỉ tiêu cơ học (lực dính $C$ và góc ma sát trong $\varphi$) được cải thiện rõ rệt.
  • Nghiên cứu nâng cao dung trọng khô bằng dăm sạn ($d \le 10$ mm): Khảo sát sự thay đổi của dung trọng khô lớn nhất ($\gamma_{cmax}$) và độ ẩm tốt nhất ($W_{opt}$) theo tỷ lệ dăm sạn pha trộn. Khi tăng hàm lượng dăm sạn đến một tỷ lệ hợp lý, dung trọng khô lớn nhất của đất tăng lên, độ ẩm tốt nhất giảm dần, góc ma sát trong $\varphi$ tăng và mô đun biến dạng $E$ tăng, trong khi vẫn kiểm soát được hệ số thấm của khối đắp.

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cấp, sửa chữa một số đập đất ở Tây Nguyên

Chương 4 áp dụng kết quả nghiên cứu vào công trình hồ chứa nước Buôn Sa tại Tây Nguyên:

  • Hiện trạng công trình: Đập đất đầm nén hồ Buôn Sa sau thời gian vận hành bị rò rỉ, thấm mạnh qua thân đập; mái hạ lưu xuất hiện nhiều vết nứt và lỗ rỗng, không đảm bảo an toàn chịu lực và tích nước.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật: Sử dụng khối đất bồi tích trẻ tại chỗ sau khi được xử lý cải tạo (phối trộn cấp phối dăm sạn $d \le 10$ mm và gia cố chất kết dính xi măng, vôi) để đắp áp trúc mái thượng lưu đập nhằm tạo thành khối chống thấm và tăng ổn định công trình.
  • Kết quả tính toán mô hình:
    • Tính toán thấm qua thân đập: Mô hình hóa trường thấm qua thân đập hiện trạng và thân đập sau khi đắp áp trúc thượng lưu. Kết quả cho thấy đường bão hòa hạ thấp rõ rệt, gradient thấm qua khối đắp áp trúc và qua thân đập cũ đều nhỏ hơn gradient thấm cho phép ($J < [J]$), triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ xói ngầm thân đập.
    • Tính toán ổn định mái đập: Đánh giá hệ số an toàn ổn định trượt mái thượng lưu và hạ lưu trong các điều kiện làm việc (mực nước dâng bình thường, mực nước rút đột ngột) với các phương án chiều rộng đỉnh khối đắp bổ sung $B = 4$ m và $B = 5$ m. Kết quả cho thấy hệ số an toàn ổn định mái đập đều đạt và vượt yêu cầu quy định của quy chuẩn thiết kế.
  • Quy trình công nghệ thi công:
    • Chuẩn bị thiết bị cơ giới, nhân lực và nguyên vật liệu (đất bồi tích, xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB30, vôi bột, dăm sạn $d \le 10$ mm).
    • Thiết lập quy trình trộn đất gia cố theo phương pháp dây chuyền công nghiệp nhằm bảo đảm độ đồng nhất của hỗn hợp vật liệu trước khi đưa vào khối đắp.
    • Quy định công nghệ thi công rải đất, kiểm soát độ ẩm và số lượt đầm nén mái thượng lưu đảm bảo đạt dung trọng khô thiết kế và độ liên kết chặt chẽ với thân đập cũ.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án bao gồm:

Về mặt khoa học:

  • Luận chứng cơ sở khoa học về việc cải thiện đồng thời các đặc tính cơ lý bất lợi (dung trọng khô thấp, hệ số thấm lớn, tính tan rã mạnh) của đất bồi tích trẻ tại khu vực Tây Nguyên bằng giải pháp phối hợp cấp phối hạt thô dăm sạn ($d \le 10$ mm) và chất kết dính vô cơ (xi măng, vôi).
  • Xác lập quy luật biến đổi của các chỉ tiêu cơ lý, độ tan rã và tính thấm của đất bồi tích trẻ theo tỷ lệ pha trộn dăm sạn, xi măng và vôi.

Về mặt thực tiễn:

  • Xác định được hàm lượng phối trộn cụ thể: sử dụng tỷ lệ dăm sạn hợp lý để nâng cao dung trọng khô; sử dụng 5% xi măng để loại trừ hoàn toàn tính tan rã; sử dụng tổ hợp 2% xi măng kết hợp 3% vôi để giảm hệ số thấm xuống ngưỡng cho phép đối với đập đất đầm nén.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật đắp áp trúc mái thượng lưu bằng vật liệu bồi tích xử lý tại chỗ và xây dựng quy trình thi công trộn đất theo phương pháp dây chuyền áp dụng thành công cho đập hồ chứa Buôn Sa, giúp giải quyết bài toán thiếu hụt vật liệu đắp đập và tiết kiệm chi phí xây dựng.

Kiến nghị của luận án:

  • Áp dụng giải pháp xử lý vật liệu bồi tích trẻ tại chỗ để sửa chữa, nâng cấp các đập đất vừa và nhỏ bị rò rỉ, thấm nứt ở khu vực Tây Nguyên nhằm tránh việc giải phóng mặt bằng đất trồng cây công nghiệp.
  • Khi triển khai thi công hiện trường, cần tuân thủ nghiêm ngặt quy trình kiểm soát độ ẩm tốt nhất và công nghệ trộn phối dây chuyền để bảo đảm chất lượng đầm nén của khối gia cố.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào loại đất bồi tích trẻ đặc trưng tại khu vực Tây Nguyên với cỡ hạt dăm sạn khống chế $d \le 10$ mm và loại xi măng Vicem Hoàng Thạch PCB30; chưa tiến hành khảo nghiệm trên các loại đất bồi tích có thành phần khoáng vật khác biệt ở các vùng địa lý khác.
  • Việc kiểm chứng tính toán mô hình ứng dụng mới được thực hiện chi tiết trên một công trình cụ thể là hồ chứa nước Buôn Sa.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm xử lý vật liệu bồi tích trẻ trên các địa bàn miền núi khác có điều kiện địa chất tương tự.
  • Tiếp tục theo dõi quan trắc hiện trường dài hạn đối với sự làm việc của khối đắp gia cố (chỉ số thấm, độ bền xâm thực theo thời gian) sau khi đưa công trình vào vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Xây dựng công trình thủy lợi, Địa kỹ thuật công trình: Tham khảo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng về cải tạo tính cơ lý của đất, phương pháp chế bị mẫu đất trộn chất kết dính vô cơ và phương pháp tính toán thấm, ổn định mái đập.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn xây dựng thủy lợi: Ứng dụng các thông số tỷ lệ phối trộn dăm sạn, xi măng, vôi và giải pháp đắp áp trúc mái thượng lưu khi lập dự án sửa chữa, nâng cấp đập đất vừa và nhỏ thiếu mỏ đất đắp.
  • Các cơ quan quản lý khai thác công trình thủy lợi tại Tây Nguyên: Tham khảo các phân tích nguyên nhân hư hỏng, sự cố đập đất và quy trình công nghệ thi công trộn phối đất đắp bằng phương pháp dây chuyền.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao việc khai thác đất đắp truyền thống để sửa chữa, nâng cấp đập ở Tây Nguyên hiện nay gặp khó khăn?

Theo luận án, phần lớn diện tích đất đai ở Tây Nguyên đã được quy hoạch ổn định thành các vùng chuyên canh cây công nghiệp dài ngày có giá trị kinh tế cao như cà phê, cao su. Việc mở các mỏ đất đắp mới đòi hỏi chi phí giải phóng mặt bằng và đền bù cây trồng rất lớn. Đồng thời, khối lượng đất cần dùng để sửa chữa, nâng cấp từng đập đất vừa và nhỏ thường không quá lớn nhưng các công trình lại nằm rải rác, khiến việc vận chuyển đất từ xa trở nên kém hiệu quả về kinh tế.

2. Sự cố vỡ đập Suối Hành năm 1986 xuất phát từ những nguyên nhân kỹ thuật cụ thể nào?

Đập Suối Hành (Khánh Hòa) bị vỡ vào đêm 03/12/1986 do các sai lầm kỹ thuật: công tác khảo sát địa chất sơ sài đã gộp hai bãi vật liệu A và B có đặc tính khác nhau thành một loại đất đồng chất; không thí nghiệm đánh giá độ tan rã, lún ướt và trương nở (trong khi đất bãi A trương nở mạnh, đất bãi B tan rã và lún ướt mạnh); chọn dung trọng khô thiết kế 1,7 T/m³ thấp hơn dung trọng tự nhiên 1,87 T/m³; chọn độ ẩm thiết kế $W = 18%$ chung cho cả hai loại đất mà không có biện pháp xử lý độ ẩm riêng biệt.

3. Tỷ lệ chất kết dính nào được luận án xác định để chống thấm và chống tan rã cho đất bồi tích trẻ?

Để giảm tính thấm của đất đáp ứng tiêu chuẩn đắp đập ($k \le 1 \times 10^{-5}$ cm/s), luận án đề xuất tỷ lệ phối trộn là 2% xi măng kết hợp với 3% vôi. Để triệt tiêu hoàn toàn tính tan rã của đất khi tiếp xúc với nước và cải thiện sức kháng cắt, hàm lượng xi măng cần phối trộn vào đất được xác định là 5%.

4. Vai trò của dăm sạn đường kính $d \le 10$ mm trong hỗn hợp đất cải tạo là gì?

Dăm sạn ($d \le 10$ mm) đóng vai trò bổ sung thành phần hạt thô, chèn vào các lỗ rỗng của đất hạt mịn, giúp cải thiện đường cong cấp phối hạt dốc thoải hơn. Việc bổ sung dăm sạn giúp làm tăng khối lượng thể tích khô lớn nhất ($\gamma_{cmax}$), giảm độ ẩm tốt nhất ($W_{opt}$), nâng cao góc ma sát trong ($\varphi$) và mô đun biến dạng ($E$) của khối đất đắp đầm nén.

5. Luận án ứng dụng kết quả nghiên cứu vào đập Buôn Sa bằng giải pháp kết cấu nào?

Luận án đề xuất giải pháp đắp áp trúc mái thượng lưu đập hồ Buôn Sa bằng vật liệu bồi tích trẻ tại chỗ đã được phối trộn dăm sạn và gia cố chất kết dính vô cơ. Khối áp trúc này vừa đóng vai trò như một màng chống thấm phía thượng lưu để hạ thấp đường bão hòa trong thân đập cũ, vừa gia tăng hệ số an toàn ổn định trượt mái đập trong các trường hợp mực nước hồ biến đổi.

Kết luận

Luận án của tác giả Mai Thị Hồng đã giải quyết yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn trong công tác sửa chữa, nâng cấp hồ đập thủy lợi tại khu vực Tây Nguyên bằng giải pháp cải tạo vật liệu bồi tích trẻ tại chỗ. Công trình đã làm sáng tỏ cơ sở khoa học và xác định các thông số phối trộn thực nghiệm cụ thể (dăm sạn $d \le 10$ mm, 5% xi măng chống tan rã, 2% xi măng kết hợp 3% vôi chống thấm). Kết quả tính toán kiểm nghiệm và đề xuất quy trình thi công đắp áp trúc mái thượng lưu tại đập Buôn Sa khẳng định tính khả thi của giải pháp, góp phần cung cấp cơ sở kỹ thuật cho việc nâng cấp an toàn đập đất đầm nén vùng Tây Nguyên.