Tổng quan nghiên cứu

Đập đất là loại công trình thủy lợi phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt tại các vùng Nam Trung Bộ và Đông Nam Bộ, nơi trong 25 năm qua đã xây dựng hơn 200 đập chứa nước lớn, vừa và nhỏ. Theo báo cáo của ngành, nhiều đập đất hiện nay đang xuống cấp nghiêm trọng, với hiện tượng thấm qua thân đập phổ biến, gây ảnh hưởng đến an toàn và hiệu quả khai thác. Các sự cố vỡ đập do mưa kéo dài đã từng xảy ra, điển hình như sự cố vỡ đập Bản Kiều (Trung Quốc, 1975) và các sự cố tại Việt Nam như vỡ đập Đầm Hà (Quảng Ninh, 2014) gây thiệt hại ước tính khoảng 380 tỷ đồng, ảnh hưởng đến hàng nghìn ha đất canh tác và nhiều hộ dân.

Vấn đề ảnh hưởng của mưa kéo dài đến ổn định đập đất là một thách thức lớn trong thiết kế và vận hành công trình. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của mưa kéo dài đến diễn tiến thấm và ổn định mái đập đất, ứng dụng tính toán cho đập Diên Trường, Quảng Ngãi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào diễn tiến thấm trong công trình đất do lượng nước bổ sung từ mưa tại mái hạ lưu, trong điều kiện khí hậu và địa chất thực tế của khu vực. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả khai thác các công trình đập đất tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về thấm và ổn định đập đất, bao gồm:

  • Lý thuyết thấm trong môi trường đất: Áp dụng định luật Darcy để mô tả chuyển động của dòng thấm qua thân đập và nền, phân biệt thấm có áp và không áp, thấm ổn định và không ổn định, cũng như ảnh hưởng của hiện tượng mao dẫn trong vùng bão hòa. Các phương trình vi phân Laplace và phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải bài toán thấm phức tạp.

  • Lý thuyết ổn định mái đập đất: Sử dụng mô hình Mohr-Coulomb để xác định cường độ kháng cắt của đất, kết hợp với phương pháp phân thỏi (slices method) để tính hệ số an toàn ổn định mái đập. Các phương pháp cân bằng giới hạn như Fellenius, Bishop, Janbu được áp dụng để xác định mặt trượt nguy hiểm và hệ số an toàn.

  • Khái niệm chính: Hệ số thấm (k), áp lực nước lỗ rỗng (u), góc ma sát trong đất (φ), lực dính (c), đường bão hòa (phreatic surface), mặt trượt nguy hiểm, hệ số an toàn ổn định (F).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế thu thập từ công trình đập Diên Trường, Quảng Ngãi, bao gồm khảo sát địa chất, tài liệu thiết kế và số liệu khí tượng thủy văn. Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích lý thuyết và mô hình hóa: Sử dụng phần mềm GeoSlope (mô-đun SEEP/W và SLOPE/W) của Canada để mô phỏng dòng thấm và tính toán ổn định mái đập dưới các kịch bản mưa kéo dài.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn: Áp dụng để giải các phương trình thấm không ổn định trong môi trường đất bão hòa và không bão hòa, xác định vị trí đường bão hòa và áp lực nước trong thân đập.

  • Phân tích ổn định mái đập: Tính toán hệ số an toàn theo các phương pháp phân thỏi, xác định mặt trượt nguy hiểm nhất và đánh giá ảnh hưởng của áp lực thấm do mưa kéo dài.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và khảo sát thực địa trong năm đầu, mô phỏng và phân tích trong năm thứ hai, hoàn thiện luận văn và đề xuất giải pháp trong năm cuối cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của mưa kéo dài đến đường bão hòa và áp lực thấm: Mưa kéo dài làm tăng đáng kể chiều cao đường bão hòa trong thân đập, dẫn đến tăng áp lực nước lỗ rỗng. Kết quả mô phỏng cho thấy, trong điều kiện mưa kéo dài 2-3 ngày, đường bão hòa có thể nâng lên đến gần đỉnh đập, làm tăng trọng lượng khối đất và giảm lực dính, làm suy giảm hệ số an toàn ổn định mái đập khoảng 15-20%.

  2. Diễn tiến thấm và lưu lượng thấm qua thân đập: Lưu lượng thấm qua đập tăng lên theo thời gian mưa kéo dài, với mức tăng khoảng 30-40% so với điều kiện bình thường. Các mô hình tính toán cho thấy lưu lượng thấm cao làm tăng nguy cơ trượt mái đập, đặc biệt khi thiết bị thoát nước bị tắc hoặc không hoạt động hiệu quả.

  3. Hệ số an toàn ổn định mái đập giảm rõ rệt trong mùa mưa: Tính toán hệ số an toàn theo các phương pháp phân thỏi cho thấy hệ số an toàn giảm từ khoảng 1,4 trong điều kiện bình thường xuống còn khoảng 1,1-1,15 trong điều kiện mưa kéo dài, gần sát ngưỡng an toàn cho phép. Điều này phản ánh nguy cơ mất ổn định cao hơn trong mùa mưa bão.

  4. Hiệu quả của các giải pháp kỹ thuật: Mô phỏng các kịch bản bổ sung thiết bị thoát nước kiểu ống khói, thay thế vật liệu đắp bằng vật liệu thấm tốt và bố trí sân phủ phía trước tường nghiêng cho thấy hệ số an toàn được cải thiện từ 10-15%, đồng thời giảm lưu lượng thấm qua thân đập.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự suy giảm ổn định mái đập trong điều kiện mưa kéo dài là do sự tăng áp lực nước lỗ rỗng và nâng cao đường bão hòa, làm giảm cường độ kháng cắt của đất. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của mưa đến ổn định đập đất. Việc sử dụng phần mềm GeoSlope giúp mô phỏng chính xác diễn tiến thấm và đánh giá hệ số an toàn trong các điều kiện khác nhau, hỗ trợ thiết kế và vận hành đập an toàn hơn.

Biểu đồ thể hiện sự thay đổi hệ số an toàn theo thời gian mưa kéo dài và bảng số liệu lưu lượng thấm qua thân đập dưới các kịch bản khác nhau sẽ minh họa rõ nét các phát hiện trên. So sánh với các sự cố vỡ đập đã xảy ra cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm soát dòng thấm và áp lực nước trong thân đập, đặc biệt trong mùa mưa bão.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường hệ thống thoát nước trong thân đập: Lắp đặt thiết bị thoát nước kiểu ống khói và hệ thống thoát nước mặt hiệu quả nhằm giảm áp lực nước lỗ rỗng, mục tiêu giảm lưu lượng thấm ít nhất 20% trong vòng 1 năm, do Ban quản lý công trình phối hợp với đơn vị thi công thực hiện.

  2. Sử dụng vật liệu đắp có hệ số thấm thấp và tính ổn định cao: Thay thế các khối đắp số 3 bằng vật liệu thấm tốt, đảm bảo hệ số thấm giảm ít nhất 30%, hoàn thành trong giai đoạn bảo trì tiếp theo, do nhà thầu và tư vấn giám sát phối hợp thực hiện.

  3. Bố trí sân phủ phía trước tường nghiêng mềm: Thiết kế sân phủ có chiều dài từ 3-5 lần chiều cao đập để giảm áp lực thấm và nâng cao ổn định mái đập, triển khai trong vòng 2 năm, do chủ đầu tư và đơn vị thiết kế phối hợp thực hiện.

  4. Theo dõi và quan trắc áp lực nước, độ ẩm và biến dạng đập liên tục: Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, đảm bảo an toàn vận hành, thực hiện ngay trong năm đầu tiên, do Ban quản lý công trình và đơn vị tư vấn giám sát chịu trách nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và đập đất: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng của mưa kéo dài đến ổn định đập, áp dụng các mô hình tính toán hiện đại để thiết kế đập an toàn hơn.

  2. Chuyên gia vận hành và quản lý hồ chứa: Áp dụng các giải pháp thoát nước và quan trắc để giảm thiểu rủi ro vỡ đập trong mùa mưa bão, nâng cao hiệu quả khai thác.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật thủy lợi, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo về lý thuyết thấm, phương pháp phần tử hữu hạn và phân thỏi trong tính toán ổn định đập đất.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về thủy lợi và phòng chống thiên tai: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý, bảo trì và nâng cấp các công trình đập đất nhằm giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mưa kéo dài ảnh hưởng như thế nào đến ổn định đập đất?
    Mưa kéo dài làm tăng áp lực nước lỗ rỗng và nâng cao đường bão hòa trong thân đập, làm giảm cường độ kháng cắt của đất, từ đó giảm hệ số an toàn ổn định mái đập. Ví dụ, trong nghiên cứu, hệ số an toàn giảm khoảng 15-20% khi mưa kéo dài 2-3 ngày.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để tính toán dòng thấm qua đập?
    Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để giải các phương trình thấm không ổn định trong môi trường đất, sử dụng phần mềm GeoSlope với mô-đun SEEP/W để mô phỏng dòng thấm và xác định đường bão hòa.

  3. Làm thế nào để xác định mặt trượt nguy hiểm nhất trong đập đất?
    Mặt trượt nguy hiểm nhất được xác định bằng phương pháp phân thỏi, trong đó hệ số an toàn được tính cho từng cung trượt và chọn cung có hệ số an toàn nhỏ nhất. Các phương pháp như Fellenius, Bishop được sử dụng để tính toán.

  4. Giải pháp kỹ thuật nào hiệu quả để nâng cao ổn định đập trong mùa mưa?
    Lắp đặt thiết bị thoát nước kiểu ống khói, sử dụng vật liệu đắp có hệ số thấm thấp, bố trí sân phủ phía trước tường nghiêng mềm và tăng cường hệ thống quan trắc là các giải pháp hiệu quả đã được mô phỏng và chứng minh trong nghiên cứu.

  5. Tại sao việc quan trắc áp lực nước và biến dạng đập quan trọng?
    Quan trắc giúp phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định do áp lực nước tăng hoặc biến dạng đập, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời, giảm thiểu nguy cơ sự cố vỡ đập, đảm bảo an toàn cho công trình và vùng hạ lưu.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của mưa kéo dài đến diễn tiến thấm và ổn định mái đập đất, ứng dụng cho đập Diên Trường, Quảng Ngãi.
  • Mưa kéo dài làm tăng áp lực nước lỗ rỗng và nâng cao đường bão hòa, làm giảm hệ số an toàn mái đập khoảng 15-20%.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn và phân thỏi được áp dụng hiệu quả trong mô phỏng dòng thấm và tính toán ổn định đập.
  • Các giải pháp kỹ thuật như thiết bị thoát nước kiểu ống khói, vật liệu đắp thấm tốt và sân phủ tường nghiêng giúp cải thiện ổn định đập rõ rệt.
  • Đề xuất theo dõi quan trắc liên tục và áp dụng các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả khai thác công trình đập đất trong điều kiện mưa kéo dài.

Hành động tiếp theo: Chủ đầu tư và các đơn vị liên quan nên triển khai các giải pháp kỹ thuật đề xuất, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc tự động để giám sát an toàn đập trong mùa mưa bão.