Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tại Việt Nam, đập đắp bằng vật liệu địa phương chiếm khoảng 90% tổng số đập, phần lớn là các công trình được xây dựng từ những năm 1960–1980 trong điều kiện khảo sát kỹ thuật hạn chế, thiếu tiêu chuẩn thiết kế đồng bộ và thiết bị thi công chưa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Theo các thống kê kỹ thuật, các sự cố liên quan đến thấm và mất ổn định do dòng thấm chiếm tới 45%–50% tổng số hư hỏng ở đập đất. Trong danh mục 430 hồ chứa xuống cấp thuộc Dự án Sửa chữa và nâng cao an toàn đập (WB8), có tới 40% đập cần xử lý thấm, trong đó 90% là các hồ chứa quy mô vừa và nhỏ đang vận hành tích nước.

Các giải pháp truyền thống xử lý thấm cho đập đất thường gặp nhiều hạn chế khi áp dụng cho công trình đang tích nước:

  1. Việc thiết kế tầng lọc ngược bằng cát – sỏi truyền thống theo các tiêu chuẩn hiện hành (như TCVN 8422:2010) yêu cầu tính toán cấp phối phức tạp, nguồn vật liệu chọn lọc khó tìm kiếm tại địa phương và khó kiểm soát chất lượng thi công dưới mái dốc.
  2. Việc đào bóc chân mái đập trên quy mô lớn để đặt tầng lọc hoặc lăng trụ tiêu nước khi hồ đang tích nước tiềm ẩn nguy cơ gây mất ổn định trượt mái và bục vỡ thân đập.
  3. Các kết cấu thoát nước áp mái lộ thiên truyền thống rất dễ bị bồi tắc bởi bùn đất trôi từ mái đập hoặc thảm thực vật phát triển.
  4. Nhiều phương án đắp áp trúc mái hạ lưu áp dụng sai vật liệu (hệ số thấm của khối đắp mới nhỏ hơn thân đập cũ) hoặc thiếu bộ phận tiêu thoát nước hợp lý khiến đường bão hòa dâng cao, dẫn đến sạt trượt mái đập.

Mặc dù giải pháp "Nêm cát thu lọc nước thấm ở hạ lưu đập đất" đã được cấp Bằng độc quyền sáng chế số CBA 351 (tháng 6/2017) do tác giả và nhóm nghiên cứu tại Viện Thủy công đề xuất, sáng chế ban đầu mới dừng lại ở mức ý tưởng nguyên lý. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần xác lập cơ sở khoa học, phương pháp tính toán thủy lực - thấm, kiểm tra ổn định công trình trong quá trình thi công đào rãnh khi hồ đang tích nước, xác định kích thước và khoảng cách bố trí hợp lý giữa các nêm, cũng như kiểm chứng thực nghiệm hiệu quả hạ thấp đường bão hòa và độ bền lọc trong điều kiện vận hành thực tế dài hạn.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Đề xuất kết cấu nêm cát thu - lọc - thoát nước thấm ở hạ lưu đập đất vừa và nhỏ thay thế cho kết cấu lọc ngược cát - đá - sỏi truyền thống.
  2. Kiến nghị phương án bố trí hệ thống nêm cát nhằm bảo đảm đồng thời hai yêu cầu: hiệu quả thu gom, lọc và tiêu thoát nước thấm, đồng thời bảo đảm an toàn ổn định mái đập trong quá trình thi công khi hồ chứa đang tích nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đập đất đồng chất quy mô vừa và nhỏ (chiều cao đập $H < 15\text{ m}$, thuộc công trình cấp III, cấp IV theo QCVN 04-05:2012 và Nghị định 114/2018/NĐ-CP) đang tích nước, xuất hiện hiện tượng thấm quá mức qua thân đập cần được xử lý nâng cấp, sửa chữa.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Xác định quy luật chuyển dịch và cao độ điểm ra của đường bão hòa khi lắp đặt nêm cát.
    • Đánh giá hệ số ổn định trượt tổng thể, ổn định cục bộ và gradient thấm lớn nhất xuất hiện trên vách hố đào trong quá trình thi công đào rãnh chân đập.
    • Đánh giá chất lượng lọc và khả năng chống bồi tắc của kết cấu nêm cát thông qua phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước (độ đục NTU) trên mô hình thực nghiệm hiện trường tỷ lệ 1:1 trong thời gian 2 năm (2016–2017).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu và tài liệu trong và ngoài nước

Luận án đã tổng kết và phân tích các nhóm nghiên cứu chính liên quan đến thấm, cơ chế phá hoại đập và công nghệ lọc thoát nước:

  1. Thống kê hư hỏng đập đất do thấm:
    • Số liệu của Hội Đập lớn Hoa Kỳ (ASCE/USCOLD, 1975) chỉ ra 4 nguyên nhân gây sự cố đập: tràn đỉnh (38%), thấm và xói ngầm (33%), mất ổn định mái/nền (23%), và nguyên nhân khác (6%).
    • Báo cáo của Todd Hill, P. (Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ - USBR, 2016) phân tích các dạng hư hỏng tại Mỹ:
Dạng hư hỏng Hư hỏng trước năm 1950 Hư hỏng sau năm 1950 Tổng cộng
Tràn đập 36,2% 32,2% 34,2%
Đập tràn / cống xả 17,2% 8,5% 12,8%
Xói ngầm xuyên qua đập 29,3% 35,5% 32,5%
Xói ngầm từ kè vào móng 0,0% 3,4% 1,7%
Xói ngầm xuyên qua móng 10,4% 15,3% 12,8%
Sạt lở hạ lưu 6,9% 0,0% 3,4%
Sạt lở thượng lưu 0,0% 1,7% 0,9%
Động đất 0,0% 3,4% 1,7%
Tổng cộng 100% 100% 100%

  1. Lịch sử nghiên cứu và tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc:

    • Các mốc phát triển lý thuyết tầng lọc: bắt đầu từ đập Bohio (1902), các nguyên lý cơ bản của Terzaghi (1925), tiêu chuẩn kỹ thuật của Quân đoàn Kỹ binh Hoa Kỳ (1941), tiêu chuẩn USBR (1955), nghiên cứu tầng lọc vùng nứt nẻ của Sherard (1984), hướng dẫn ICOLD (1994), nghiên cứu tiếp xúc bê tông - đất của Foster (2001) và Milligan (2003).
    • Hướng dẫn của Cục Quản lý Tình trạng Khẩn cấp Liên bang Hoa Kỳ (FEMA, 2011) trong tài liệu Filters for Embankment Dams - Best Practice for Design and Construction, khuyến cáo về việc sử dụng tầng lọc khi đắp áp trúc hạ lưu và hạn chế sử dụng vải địa kỹ thuật tại các vị trí không thể tiếp cận để thay thế do hiện tượng bó hạt, không tạo được cầu vòm tự nhiên.
    • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8422:2010 về thiết kế tầng lọc ngược công trình thủy công và TCVN 8216:2009 về thiết kế đập đất đầm nén.

  2. Thực trạng và bài học sự cố công trình:

    • Sự cố đập Washakie (Mỹ, 2000): đắp áp trúc hạ lưu bằng vật liệu ít thấm làm đường bão hòa dâng cao, buộc phải dỡ bỏ để làm lại tầng lọc.
    • Tại Việt Nam: Đập Triệu Thượng (Quảng Trị) bị trượt mái do đắp áp trúc không bố trí tầng thoát nước hợp lý; đập Quý Lộ (Nghệ An) sử dụng tầng lọc áp mái lộ thiên bị đất cát và cỏ xâm lấn; đập Hàm Lợn (Hà Nội) đặt ống thu nước đục lỗ bị bồi tắc bùn đất sau thời gian ngắn vận hành.
    • Ứng dụng vật liệu thu nước khía rãnh: Tiêu chuẩn TCVN 12286:2018 (Viện Thủy công, 2016) hướng dẫn ứng dụng băng khía rãnh trong đập ngầm và hào thu nước cấp sinh hoạt nông thôn.

Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị là công trình nghiên cứu giải quyết sự mất cân đối giữa công tác chống thấm và kiểm soát thấm tại Việt Nam. Thay vì áp dụng thụ động các dạng lọc ngược của đập xây mới, luận án làm rõ cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho kết cấu "Nêm cát" – một cấu trúc tiêu thoát nước ngắt quãng, thi công cuốn chiếu, kết hợp giữa cát vàng hạt thô và băng thu nước khía rãnh hoạt động theo cơ chế mao dẫn, giải quyết bài toán nâng cấp đập đất trong điều kiện hồ đang tích nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các công thức phân tích

  1. Lý thuyết dòng thấm qua môi trường rỗng: Dòng thấm trong thân và nền đập được mô tả bằng định luật Darcy mở rộng và phương trình vi phân liên tục cho môi trường thấm dị hướng: $$\frac{\partial}{\partial x}\left(k_x \frac{\partial H}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial y}\left(k_y \frac{\partial H}{\partial y}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(k_z \frac{\partial H}{\partial z}\right) + Q = \frac{\partial \theta}{\partial t}$$ Trong đó: $k_x, k_y, k_z$ là hệ số thấm theo các phương; $H$ là cột nước tổng; $Q$ là lưu lượng nguồn/hút; $\theta$ là độ ẩm thể tích.

  2. Tiêu chí an toàn về thấm và ổn định trượt:

    • Tiêu chí vị trí đường bão hòa: Chiều cao điểm ra của đường bão hòa trên mái hạ lưu $a_0$ phải nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép $[a_{gh}]$ theo tiêu chí an toàn thấm của Phạm Ngọc Quý.
    • Tiêu chí xói ngầm: Gradient thủy lực xuất hiện trên mặt gương đào $J_{max}$ phải nhỏ hơn gradient thấm cho phép $[J]_{cp}$.
    • Tiêu chí ổn định mái dốc: Hệ số ổn định trượt nhỏ nhất của mái đập trong suốt quá trình thi công và vận hành phải thỏa mãn $K_{min} \ge [K]_{cp}$ (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp cơ chế chiết giảm độ bền $c, \varphi$).

  3. Cơ chế thu nước của băng khía rãnh: Băng thu nước khía rãnh có dạng mặt cắt hình chữ $\Omega$, chiều rộng khe hở $0,2 - 0,25\text{ mm}$, rãnh bên trong phình rộng $0,5\text{ mm}$, bản băng rộng $20\text{ cm}$. Băng hoạt động theo nguyên lý mao dẫn: mặt trơn đón dòng thấm, nước thấm chảy vòng ra sau để vào khe rãnh, giúp ngăn chặn sự cuốn trôi các hạt mịn. Công thức xác định chiều dài băng thu nước lắp đặt ($L_b$) theo TCVN 12286:2018: $$Q_c \le L_b \cdot W_b$$ Trong đó: $Q_c$ là lưu lượng cần thoát ($\text{lít/phút}$); $W_b$ là khả năng thu nước trên $1\text{ m}$ dài băng trong môi trường ngập nước nghèo (lấy $W_b = 0,5\text{ lít/phút/m}$).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp mô hình số: Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng Midas GTS (kết hợp đối chứng với Seep/W) để giải bài toán thấm 2D và 3D, phân tích phân bố áp lực nước lỗ rỗng, xác định vị trí đường bão hòa, độ vồng mặt nước ngầm giữa các nêm và tính toán hệ số ổn định trượt mái dốc khi đào rãnh.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện trường: Thiết lập mô hình thử nghiệm tỷ lệ thực tế (1:1) tại đập đất hồ Đồng Bể (Thanh Hóa). Lắp đặt hệ thống quan trắc gồm: 3 cụm nêm cát, 4 giếng quan trắc mực nước bão hòa, hệ thống ống đo lưu lượng khắc vạch và lấy mẫu kiểm tra chất lượng nước (đo độ đục NTU) định kỳ trong các năm 2016 và 2017.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thấm và kiểm soát thấm ở đập đất

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về hiện tượng thấm, các hình thức hư hỏng đập đất và các giải pháp xử lý kỹ thuật hiện hành. Tác giả phân loại hai nhóm giải pháp: nhóm tăng cường chống thấm (khoan phụt vữa tạo màng, tường nghiêng thượng lưu, tường hào bentonite/xi măng) và nhóm kiểm soát thấm (lọc ngược, ống khói thoát nước, đống đá tiêu nước, rãnh tiêu nước chân đập).

Chương này chỉ rõ các nguyên nhân gây tắc nghẽn tầng lọc truyền thống: hiện tượng xói ngầm cơ học tại bề mặt tiếp xúc khi cấp phối hạt không đáp ứng điều kiện tạo vòm ổn định ($d_{lỗ rỗng} > 1,8 d_{hạt tạo vòm}$), hiện tượng lấp tắc do gradient thủy lực $J > 5$ khi hệ số không đều hạt $N = d_{60}/d_{10} < 20$, và nhược điểm bó hạt của vải địa kỹ thuật.

Phần cuối chương giới thiệu nguyên lý sáng chế Nêm cát: kết cấu hình nêm bố trí ngắt quãng dưới chân mái hạ lưu, bên trong chứa cát vàng hạt thô và lõi là các dải băng khía rãnh gắn trên ống góp PVC D90. Tác giả tổng hợp số liệu kiểm chứng độ đục NTU từ các công trình sử dụng băng khía rãnh thực tế:

Công trình Độ đục trước xử lý (NTU) Độ đục sau xử lý (NTU) Quy chuẩn đối chiếu
Bạch Long Vĩ 0,98 0,55 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$
Xóm Cương 0,81 0,27 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$
Chăn Nưa 22,82 1,57 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$
Nậm Cha 21,20 1,12 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$
Hạ 1 - Hạ 2 14,48 0,68 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$
Chiềng Lồng 8,60 6,93 Loại II
Nậm Mạ 165,00 8,31 Đạt tiêu chuẩn xử lý
Thôn Niếng 11,77 0,00 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$
Đèo Lang 12,88 0,00 QCVN 02:2009/BYT $(< 5\text{ NTU})$

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý luận về nêm cát

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình số trên phần mềm Midas GTS để mô phỏng bài toán thấm và ổn định công trình cho một đập đất điển hình cao $H = 15\text{ m}$ (giới hạn trên của đập quy mô vừa). Các kịch bản tính toán được thiết lập nhằm xác định thông số hình học và quy trình thi công an toàn:

  1. Quy mô và kích thước rãnh đào (Kịch bản A, B, C):

    • Đánh giá bề rộng rãnh đào $W$: Khi thi công trong điều kiện hồ đang tích nước, chiều rộng rãnh đào không được vượt quá $5\text{ m}$ ($W < 5\text{ m}$); kích thước tối ưu là $W = 1\text{ m}$ để vừa khớp với bề rộng gầu đào của thiết bị cơ giới, vừa giảm thiểu sự suy giảm ổn định mái.
    • Khi đào rãnh đơn lẻ rộng $1\text{ m}$, hệ số ổn định trượt và gradient thấm $J_{max}$ tại vách hố đào nằm trong giới hạn cho phép.
    • Trường hợp thi công đồng thời nhiều rãnh: Quy định chỉ cho phép đào mở tối đa 3 rãnh hở cùng một thời điểm với quy trình cuốn chiếu (đào đến đâu, lắp đặt nêm cát và hoàn trả đất đầm chặt đến đó trước khi mở rãnh tiếp theo).

  2. Khoảng cách bố trí giữa các nêm cát (Kịch bản D):

    • Mô phỏng không gian 3D cho thấy dòng thấm tập trung thu hút về phía các nêm cát tương tự như hiệu ứng thu nước của một hàng giếng hạ mực nước ngầm.
    • Giữa hai nêm cát xuất hiện hiện tượng "độ vồng" của đường bão hòa. Khi khoảng cách giữa các nêm $L \le 4\text{ m}$, độ vồng của đường bão hòa là không đáng kể, toàn bộ đường bão hòa bị kéo chìm sâu dưới bề mặt mái hạ lưu, bảo đảm tiêu chí an toàn $a_0 \le [a_{gh}]$. Khi khoảng cách nêm tăng lên $L = 5\text{ m}$, đỉnh vồng dâng cao làm giảm biên độ an toàn thấm.

Chương 3: Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nước thấm tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa

Chương 3 trình bày các kết quả thử nghiệm thực tế tại đập hồ chứa nước Đồng Bể (huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa). Đập Đồng Bể có hiện tượng thấm qua thân đập xuất lộ tại cơ hạ lưu sau khi đã đắp khối áp trúc năm 2003 (nước ứ đọng tại mặt tiếp xúc giữa đập cũ và khối đắp mới, không thoát được về đống đá tiêu nước chân đập).

Tác giả đã triển khai lắp đặt 3 nêm cát (ký hiệu N1, N2, N3) kèm hệ thống quan trắc gồm 4 giếng đo mực nước ($h_1, h_2, h_{2'}, h_3$) và đồng hồ đo lưu lượng. Kết quả theo dõi liên tục trong hai năm 2016 và 2017 ghi nhận:

  • Hạ thấp đường bão hòa: Trước khi lắp đặt nêm cát, nước thấm trồi ra bề mặt cơ hạ lưu (mực nước tại giếng $h_3$ mang giá trị âm - trồi áp). Sau khi hệ thống nêm cát đi vào hoạt động, mực nước trước nêm giảm mạnh: cột nước hạ thấp $1,48\text{ m}$ (năm 2016) và $1,12\text{ m}$ (năm 2017), hiện tượng rỉ nước và sũng ướt tại cơ hạ lưu chấm dứt hoàn toàn.
  • Sự phân bố dòng thấm trong nêm: Quan trắc lưu lượng tại các lớp băng khía rãnh đặt ở các cao trình khác nhau trong nêm N2 cho thấy dòng thấm tập trung chủ yếu ở lớp băng đáy dưới cùng.
  • Độ bền lọc và chống lấp tắc: Kết quả đo độ đục của nước thoát ra từ nêm cát sau 2 năm vận hành ổn định cho thấy nước trong, không mang theo hạt mịn của thân đập, chỉ số NTU đạt tiêu chuẩn xả thải an toàn, khẳng định kết cấu duy trì khả năng thoát nước và không bị bồi tắc.
  • Đối chứng mô hình số và thực nghiệm: Số liệu đo thực tế tại các mức nước thượng lưu ($+36,80\text{ m}; +38,20\text{ m}; +39,05\text{ m}; +39,70\text{ m}$) có sự trùng khớp chặt chẽ với đường bão hòa tính toán bằng mô hình 3D trong phần mềm Midas GTS.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết lập cơ sở khoa học và phương pháp tính toán thủy lực - thấm cho kết cấu nêm cát thu lọc nước thấm bố trí ngắt quãng ở chân mái hạ lưu đập đất.
  2. Xác lập quy luật hình thành độ vồng của đường bão hòa giữa các nêm cát trong không gian 3D, làm rõ cơ chế thu nước mao dẫn của băng khía rãnh đặt trong tầng cát hạt thô.
  3. Xác định các giới hạn an toàn về cơ học đất và thủy lực (chiều rộng khoang đào $W \le 1\text{ m}$, khoảng cách nêm $L \le 4\text{ m}$, số rãnh đào đồng thời tối đa là 3) nhằm bảo đảm an toàn ổn định mái đập khi thi công trong điều kiện hồ chứa đang tích nước.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Đề xuất một giải pháp kết cấu hoàn chỉnh thay thế tầng lọc ngược truyền thống trong công tác nâng cấp, sửa chữa đập đất vừa và nhỏ đang vận hành, giúp đơn giản hóa việc lựa chọn vật liệu lọc (chỉ cần sàng tuyển cát vàng hạt thô theo TCVN 12286:2018 kết hợp băng khía rãnh chế tạo sẵn).
  2. Quy trình công nghệ thi công nêm cát theo phương pháp cuốn chiếu dạng rãnh răng lược không cần hạ mực nước hồ chứa, không làm gián đoạn nhiệm vụ cấp nước tưới và bảo đảm an toàn công trình.
  3. Từ kết quả thực nghiệm tại hồ Đồng Bể (nước tập trung đổ vào đáy nêm), luận án kiến nghị giải pháp cải tiến cấu tạo: bố trí một lớp băng khía rãnh liên tục tại đáy nêm thay vì đặt nhiều tầng phân tán dọc theo chiều cao, giúp tiết kiệm vật liệu và thuận tiện trong lắp đặt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các kết quả tính toán và thực nghiệm trong luận án mới được giới hạn và kiểm chứng cho đối tượng đập đất đồng chất quy mô vừa và nhỏ có chiều cao $H < 15\text{ m}$ (công trình cấp III, cấp IV). Các thông số về hệ số thấm tương đương của băng khía rãnh ($K = 1,5 \times 10^{-3}\text{ m/s}$) sử dụng trong mô hình số ban đầu chủ yếu dựa trên giả định kinh nghiệm thủy lực.
  • Hướng nghiên cứu tiếp tục:
    • Mở rộng nghiên cứu áp dụng hệ thống nêm cát cho các đập đất cấp cao hơn ($H \ge 15\text{ m}$, cấp I, cấp II) có điều kiện địa chất nền và cấu trúc mặt cắt phức tạp (đập nhiều khối, có lõi sét hoặc tường nghiêng).
    • Nghiên cứu xác định chính xác hơn các thông số kháng thấm tương đương của tổ hợp băng khía rãnh - cát hạt thô bằng các thí nghiệm chuyên sâu trong phòng.
    • Tiếp tục theo dõi quan trắc độ bền cơ học và tuổi thọ của vật liệu polyme khía rãnh dưới tác động của môi trường hóa - lý trong thân đập qua thời gian vận hành dài hạn (trên 5–10 năm).

Giá trị tham khảo

  • Đối với các cơ quan quản lý và chủ đập: Cung cấp tài liệu kỹ thuật và giải pháp thực tế để xử lý khẩn cấp hoặc cải tạo định kỳ các hư hỏng thấm ở mái hạ lưu đập đất mà không cần tháo cạn hồ chứa, đặc biệt là trong các dự án nâng cao an toàn đập (như dự án WB8).
  • Đối với các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công: Cung cấp quy trình tính toán kích thước, khoảng cách bố trí nêm cát và biện pháp thi công cuốn chiếu an toàn, khắc phục tình trạng thiết kế tầng lọc theo cảm tính hoặc sao chép rập khuôn cấu tạo của đập xây mới.
  • Đối với các viện nghiên cứu và cơ sở đào tạo: Bổ sung tư liệu tham khảo chuyên ngành Xây dựng Công trình thủy, Cơ học đất và Địa kỹ thuật công trình về mô phỏng số 3D bài toán thấm và ứng dụng vật liệu lọc mao dẫn mới trong công trình thủy lợi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao không nên sử dụng tầng lọc ngược cát - đá - sỏi truyền thống khi sửa chữa đập đất đang tích nước?

Tầng lọc ngược truyền thống yêu cầu đào bóc chân mái đập trên diện rộng, điều này rất nguy hiểm khi hồ đang tích nước vì dễ làm trượt mái đập. Ngoài ra, việc thiết kế cấp phối hạt rất phức tạp, nguồn vật liệu đá dăm, sỏi chọn lọc khó kiếm tại hiện trường và việc thi công đầm nén đúng thiết kế dưới tầng ngập nước là rất khó khăn.

2. Nguyên lý hoạt động của băng thu nước khía rãnh trong nêm cát là gì?

Băng thu nước có các rãnh hở mặt cắt hình chữ $\Omega$ với khe hở $0,2 - 0,25\text{ mm}$ ở phía ngoài và lõi $0,5\text{ mm}$ ở bên trong. Khi đặt trong lớp cát thô, mặt không xẻ rãnh được đặt đón dòng thấm, nước thấm phải chảy vòng ra phía sau để vào rãnh theo nguyên lý mao dẫn và lọc chậm. Nhờ cơ chế này, dòng nước không tạo ra vận tốc lớn để lôi cuốn các hạt bụi đất mịn từ thân đập vào ống dẫn, ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm và tránh bồi tắc rãnh thu.

3. Kích thước hình học và khoảng cách bố trí nêm cát được quy định như thế nào để bảo đảm an toàn thi công?

Theo kết quả mô hình hóa trên phần mềm Midas GTS, chiều rộng rãnh đào tối ưu là $W = 1\text{ m}$ (không vượt quá $5\text{ m}$) để phù hợp với gầu máy đào và bảo đảm ổn định vách hố đào. Khoảng cách giữa các tâm nêm cát hợp lý là $L \le 4\text{ m}$ nhằm khống chế độ vồng của đường bão hòa không dâng lên quá cao giữa hai nêm. Trong quá trình thi công, chỉ được mở tối đa 3 rãnh đồng thời và phải thực hiện lấp đất hoàn trả cuốn chiếu từng rãnh.

4. Kết quả quan trắc thực tế tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa) đã chứng minh hiệu quả của nêm cát ra sao?

Sau khi lắp đặt 3 nêm cát tại đập Đồng Bể, mực nước ngầm trong thân đập trước nêm đã hạ thấp $1,48\text{ m}$ (năm 2016) và $1,12\text{ m}$ (năm 2017), chấm dứt hoàn toàn hiện tượng nước trồi ẩm ướt ở cơ hạ lưu. Nước thấm thu gom được dẫn thoát ra ngoài an toàn với độ đục NTU thấp, không xảy ra hiện tượng tắc nghẽn sau 2 năm theo dõi. Thực nghiệm cũng cho thấy dòng thấm tập trung nhiều nhất ở đáy nêm, tạo cơ sở đề xuất đặt băng lọc tập trung ở lớp đáy.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán kiểm soát thấm cho các công trình đập đất vừa và nhỏ đang tích nước bằng giải pháp hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm ngắt quãng kết hợp băng khía rãnh mao dẫn. Thông qua việc kết hợp giữa mô phỏng số Midas GTS (2D/3D) và thử nghiệm thực địa tỷ lệ 1:1 trong 2 năm tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa), tác giả đã xác lập được cơ sở khoa học, các thông số bố trí hình học tối ưu ($W=1\text{ m}, L \le 4\text{ m}$) và quy trình thi công cuốn chiếu an toàn. Công trình bổ sung một giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, góp phần nâng cao an toàn đập và giảm thiểu chi phí xử lý sự cố thấm trong công tác quản lý khai thác công trình thủy lợi tại Việt Nam.