Tổng quan nghiên cứu

Việc xây dựng đập đất bằng vật liệu địa phương là một trong những giải pháp phổ biến và hiệu quả trong lĩnh vực thủy lợi và thủy điện trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Theo thống kê, trên thế giới đã có hàng nghìn đập đất đá được xây dựng, trong đó Nhật Bản sở hữu 1281 đập đất cao hơn 15 m, với hơn 70 đập cao trên 75 m. Ở Việt Nam, đập đất chiếm tỷ lệ áp đảo trong các công trình hồ chứa nước, với nhiều đập có chiều cao từ 20 đến trên 100 m. Tuy nhiên, các công trình đập đất thường gặp phải các vấn đề kỹ thuật liên quan đến dòng thấm nước qua nền và thân đập, gây ra các sự cố như xói lở, mất ổn định và thậm chí vỡ đập. Theo báo cáo ngành, trên 60% sự cố đập đất liên quan đến hiện tượng thấm nước, trong khi các sự cố khác như xói lở bề mặt và trượt mái chiếm dưới 30%.

Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý chống thấm nền đập Nậm Ngam - Pú Nhi, tỉnh Điện Biên, một công trình đập đất có chiều cao lớn và địa hình phức tạp. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp các giải pháp chống thấm nền công trình, đánh giá điều kiện ứng dụng và đề xuất phương án xử lý phù hợp cho đập Nậm Ngam nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả khai thác. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát thực trạng nền đập, phân tích dòng thấm, áp dụng các mô hình tính toán thấm và thử nghiệm các phương pháp xử lý chống thấm trong điều kiện địa chất và khí hậu đặc thù của vùng Tây Bắc Việt Nam. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu rủi ro sự cố đập, nâng cao tuổi thọ công trình và tối ưu chi phí bảo trì, góp phần phát triển bền vững hệ thống thủy lợi và thủy điện quốc gia.

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 trong đất, bao gồm:

  • Định luật thấm Darcy: Mô tả tốc độ thấm tỷ lệ thuận với gradien áp lực nước, là cơ sở cho các phương pháp tính toán dòng thấm trong nền đập.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng để giải các bài toán thấm phức tạp với điều kiện biên và cấu trúc địa chất không đồng nhất. Phần mềm SEEP/W của GEO-SLOPE Canada được áp dụng để mô phỏng dòng thấm và đánh giá hiệu quả các giải pháp chống thấm.

  • Mô hình lưới thấm và phương pháp giải tích: Giúp xây dựng lưới dòng và đường thế, xác định phân bố áp lực thấm và lưu lượng thấm qua nền đập.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng thấm có áp và không áp, gradien thấm, lưu lượng thấm, tường chống thấm, khoan phụt vữa xi măng, tường hào Bentonite, và các loại cừ chống thấm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực địa tại công trình đập Nậm Ngam, các số liệu kỹ thuật thiết kế, kết quả thí nghiệm khoan phụt và phân tích mẫu đất nền. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Tổng hợp các phương pháp tính toán thấm truyền thống và hiện đại, đánh giá ưu nhược điểm từng giải pháp.

  • Mô phỏng số bằng phần mềm SEEP/W: Mô hình hóa dòng thấm qua nền đập trước và sau khi xử lý chống thấm, tính toán gradien và lưu lượng thấm.

  • So sánh các phương án xử lý chống thấm: Khoan phụt vữa xi măng, tường hào Bentonite, sân phủ mềm, và tường răng kết hợp lõi giữa.

  • Timeline nghiên cứu: Khảo sát và thu thập dữ liệu trong 6 tháng đầu, mô phỏng và phân tích trong 4 tháng tiếp theo, hoàn thiện đề xuất và báo cáo trong 2 tháng cuối.

Cỡ mẫu khảo sát gồm hơn 30 điểm khoan phụt và lấy mẫu đất nền, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và độ chính xác phù hợp với điều kiện công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng thấm nền đập Nậm Ngam có lưu lượng lớn trước xử lý: Mô phỏng cho thấy lưu lượng thấm đạt khoảng 1,2 m³/s với gradien thấm trung bình 0,15, vượt mức cho phép gây nguy cơ mất ổn định nền đập.

  2. Hiệu quả xử lý khoan phụt vữa xi măng: Sau khi áp dụng phương án khoan phụt với 3 hàng khoan, lưu lượng thấm giảm xuống còn khoảng 0,3 m³/s, tương đương giảm 75%. Gradien thấm cũng giảm đáng kể, đảm bảo an toàn cho nền đập.

  3. So sánh các phương án chống thấm: Tường hào Bentonite giảm lưu lượng thấm khoảng 60%, sân phủ mềm giảm khoảng 40%, trong khi tường răng kết hợp lõi giữa có hiệu quả giảm thấm lên đến 70% nhưng chi phí và điều kiện thi công phức tạp hơn.

  4. Ổn định chung của đập được cải thiện rõ rệt: Tính toán ổn định mái hạ lưu cho thấy hệ số an toàn tăng từ 1,1 lên 1,4 sau xử lý chống thấm, vượt mức yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của dòng thấm lớn là do nền đập có lớp cuội sỏi và đất có hệ số thấm cao chưa được xử lý triệt để, cùng với địa hình dốc và áp lực nước lớn. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm SEEP/W cho phép đánh giá chính xác phân bố áp lực thấm và lưu lượng thấm, hỗ trợ lựa chọn giải pháp phù hợp.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, hiệu quả giảm thấm của khoan phụt vữa xi măng tại đập Nậm Ngam tương đương hoặc cao hơn, nhờ thiết kế mạng lưới khoan hợp lý và vật liệu phụt chất lượng. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế về khả năng xử lý nền có mực nước ngầm cao hoặc nền cát cuội sỏi lớn.

Phương án tường hào Bentonite phù hợp với nền cát sỏi sâu, nhưng chi phí thi công cao và yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Sân phủ mềm và tường răng lõi giữa thích hợp với điều kiện nền nông và địa hình rộng, nhưng hiệu quả chống thấm không triệt để.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh lưu lượng thấm trước và sau xử lý, bảng tổng hợp hệ số an toàn mái hạ lưu, và sơ đồ mạng lưới khoan phụt để minh họa rõ ràng hiệu quả các giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai khoan phụt vữa xi măng kết hợp phụ gia tạo màng chống thấm: Tăng số lượng hàng khoan lên 3-4 hàng, áp lực phụt kiểm soát ở mức 20 atm, nhằm giảm lưu lượng thấm xuống dưới 0,3 m³/s trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và nhà thầu thi công.

  2. Xây dựng hệ thống tường hào Bentonite bổ sung tại các khu vực nền cát sỏi sâu: Thi công trong 18 tháng, nhằm tăng khả năng chống thấm cho nền đập, đặc biệt khu vực vai đập. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu chuyên ngành và tư vấn giám sát.

  3. Thiết kế và thi công sân phủ mềm bằng đất sét dày 0,5-1 m tại mặt thượng lưu: Giảm áp lực thấm và bảo vệ nền đập khỏi xói lở, hoàn thành trong 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật công trình.

  4. Tăng cường giám sát và bảo trì định kỳ hệ thống chống thấm: Kiểm tra áp lực thấm, lưu lượng nước thấm và tình trạng vật liệu chống thấm mỗi 6 tháng, nhằm phát hiện sớm và xử lý kịp thời các vấn đề phát sinh. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý vận hành công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Áp dụng các phương pháp tính toán thấm và lựa chọn giải pháp chống thấm phù hợp cho các công trình đập đất tương tự.

  2. Nhà thầu thi công và tư vấn giám sát: Nắm bắt quy trình thi công khoan phụt vữa xi măng, tường hào Bentonite và các biện pháp xử lý nền đập để đảm bảo chất lượng công trình.

  3. Nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý nhà nước: Đánh giá hiệu quả các giải pháp kỹ thuật, lập kế hoạch bảo trì và nâng cấp công trình thủy lợi, thủy điện.

  4. Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành xây dựng thủy lợi, địa kỹ thuật: Tham khảo cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao dòng thấm lại là nguyên nhân chính gây sự cố đập đất?
    Dòng thấm làm mất nước từ hồ chứa, gây áp lực lên nền và thân đập, dẫn đến xói nền, trượt mái và biến dạng công trình. Theo thống kê, trên 60% sự cố đập đất liên quan đến thấm nước.

  2. Phương pháp khoan phụt vữa xi măng có ưu điểm gì?
    Phương pháp này dễ thi công, vật liệu phổ biến, chi phí thấp và hiệu quả giảm thấm lên đến 75% trong nhiều trường hợp, đặc biệt phù hợp với nền đá phong hóa nứt nẻ.

  3. Tường hào Bentonite được sử dụng khi nào?
    Tường hào Bentonite thích hợp cho nền cát, cát cuội sỏi sâu tới 60 m, nơi các giải pháp khác khó thi công hoặc không hiệu quả, tuy nhiên chi phí và kỹ thuật thi công cao hơn.

  4. Làm thế nào để kiểm soát hiệu quả của biện pháp chống thấm?
    Cần theo dõi lưu lượng thấm, gradien thấm qua các điểm đo, kiểm tra áp lực phụt và chất lượng vật liệu, đồng thời thực hiện bảo trì định kỳ để phát hiện và xử lý kịp thời.

  5. Có thể áp dụng các giải pháp này cho các đập đất khác không?
    Các giải pháp được đề xuất có thể áp dụng cho nhiều công trình đập đất có điều kiện địa chất tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh thiết kế và thi công phù hợp với đặc điểm từng công trình.

Kết luận

  • Đập đất bằng vật liệu địa phương là loại công trình phổ biến với nhiều ưu điểm về chi phí và khả năng thi công, nhưng dễ gặp sự cố do dòng thấm nước.
  • Luận văn đã tổng hợp và phân tích các phương pháp chống thấm nền đập, trong đó khoan phụt vữa xi măng là giải pháp hiệu quả nhất cho đập Nậm Ngam.
  • Mô phỏng bằng phần mềm SEEP/W cho thấy giảm lưu lượng thấm tới 75% và cải thiện ổn định công trình sau xử lý.
  • Đề xuất các giải pháp kết hợp khoan phụt, tường hào Bentonite và sân phủ mềm nhằm đảm bảo an toàn và kinh tế cho công trình.
  • Khuyến nghị triển khai giám sát và bảo trì định kỳ để duy trì hiệu quả chống thấm lâu dài.

Next steps: Triển khai thi công theo kế hoạch đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến vật liệu và công nghệ chống thấm mới.

Các nhà quản lý và kỹ sư công trình nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao an toàn và hiệu quả khai thác các công trình đập đất tại Việt Nam.