Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp đập đất vừa và nhỏ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp sửa chữa đập đất vừa và nhỏ, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Phạm Đình Văn
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Quốc Dũng
• Trường học: Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Hiệu Quả Hệ Thống Nêm Cát Trong Thu Lọc Nước Thấm Cho Đập Đất Vừa Và Nhỏ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT
• 1.1. Thấm là nguyên nhân chính gây mất an toàn đập
• 1.2. Xử lý thấm cho đập đất khi hồ đang tích nước
• 1.2.1. Mục tiêu của xử lý thấm
• 1.2.2. Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm
• 1.2.3. Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước
• 1.2.4. Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước
• 1.3. Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nước thấm hạ lưu đập đất
• 1.3.1. Ví dụ ở nước ngoài
• 1.3.2. Ví dụ ở Việt Nam
• 1.4. Cơ chế vỡ đập do thấm và xói ngầm
• 1.4.1. Sự hình thành và phát triển của xói ngầm ở đập đất
• 1.4.2. Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu
• 1.4.3. Xử lý hiện tượng xói ngầm và lấp tắc trong tầng lọc
• 1.5. Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế tầng lọc
• 1.5.1. Bộ phận thu lọc và thoát nước trong thân đập ở hạ lưu
• 1.5.2. Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nước thấm thân đập
• 1.5.3. Thành phần của hạt lọc ngược
• 1.5.4. Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngược
• 1.5.5. Các trường hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngược
• 1.5.6. Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngược trong công trình thủy công
• 1.6. Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nước thấm hạ lưu đập đất”
• 1.6.1. Mô tả sáng chế
• 1.6.2. Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát
• 1.6.3. Khả năng thu và lọc nước của nêm cát
• 1.6.4. Chất lượng lọc sau khi qua nêm cát
• 1.7. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu trong phân tích thấm đập đất
• 2.1.2. Ứng dụng phương pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất có nêm cát
• 2.1.3. Lựa chọn phần mềm để tính thấm và kiểm tra an toàn về thấm
• 2.1.3.1. Giới thiệu phần mềm Seep/W
• 2.1.3.2. Giới thiệu phần mềm Midas GTS
• 2.2. Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas
• 2.2.1. Xác định vùng an toàn và vùng có nguy cơ mất an toàn về thấm
• 2.2.2. Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát
• 2.2.3. Ảnh hưởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đường bão hòa
• 2.3. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƯỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA
• 3.1. Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể
• 3.1.1. Giới thiệu công trình
• 3.1.2. Mô tả hiện trạng thấm
• 3.1.3. Thí nghiệm hiện trường xác định hiệu quả của nêm cát
• 3.1.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
• 3.1.3.2. Công tác chuẩn bị và thi công lắp đặt
• 3.1.3.3. Phương pháp đo
• 3.2. Kết quả quan trắc và bình luận
• 3.2.1. Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng thấm thoát ra từ nêm cát
• 3.2.2. Xác định vị trí (cao độ) của đường bão hòa đổ vào nêm cát
• 3.2.3. Kết quả đo chất lượng nước
• 3.3. So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trường
• 3.3.1. Số liệu tính toán
• 3.3.2. Các trường hợp tính toán thấm
• 3.3.3. Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas - bài toán phẳng
• 3.3.4. Phân tích thấm qua mô hình Midas 3D
• 3.3.5. So sánh kết quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán
• 3.4. Kết luận Chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống nêm cát

Hệ thống nêm cát là một giải pháp kỹ thuật quan trọng trong việc thu lọc nước thấm cho các công trình đập đất vừa và nhỏ. Đập đất, với cấu trúc chủ yếu từ vật liệu tự nhiên, thường gặp phải vấn đề thấm nước, dẫn đến mất ổn định và nguy cơ xói ngầm. Việc áp dụng hệ thống nêm cát giúp cải thiện khả năng thu nước thấm, từ đó nâng cao hiệu quả và an toàn cho công trình. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý lọc ngược, giúp ngăn chặn sự di chuyển của các hạt đất nhỏ, đồng thời cho phép nước thấm được thu gom và thoát ra một cách hiệu quả. Theo nghiên cứu, việc bố trí hợp lý các nêm cát có thể giảm thiểu đáng kể nguy cơ xói ngầm và cải thiện khả năng thoát nước của đập.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của hệ thống nêm cát bao gồm các băng thu nước được khía rãnh, gắn trên ống PVC, đặt trong lớp cát thô. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên hiện tượng mao dẫn, cho phép nước thấm được thu gom mà không bị tắc nghẽn do các hạt bụi. Hệ thống này không chỉ giúp thu lọc nước thấm mà còn bảo vệ các lớp đất bên dưới khỏi hiện tượng xói ngầm. Việc thiết kế và bố trí các nêm cát cần được thực hiện một cách khoa học, đảm bảo khoảng cách hợp lý giữa các nêm để tối ưu hóa hiệu quả thu nước. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hệ thống nêm cát có thể nâng cao đáng kể khả năng thoát nước và giảm thiểu áp lực nước trong thân đập.

II. Nghiên cứu hiệu quả của hệ thống nêm cát

Nghiên cứu về hiệu quả của hệ thống nêm cát trong việc thu lọc nước thấm đã được thực hiện tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa. Kết quả cho thấy, việc lắp đặt hệ thống này đã giúp giảm thiểu đáng kể lượng nước thấm qua đập, đồng thời nâng cao độ ổn định của công trình. Các thí nghiệm hiện trường cho thấy, mực nước và lưu lượng thấm thoát ra từ nêm cát đã được kiểm soát tốt, góp phần bảo vệ an toàn cho đập. Hệ thống nêm cát không chỉ mang lại hiệu quả trong việc thu nước thấm mà còn giúp cải thiện chất lượng nước, giảm độ đục và các tạp chất có trong nước. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn cho các công trình thủy lợi.

2.1. Kết quả quan trắc và phân tích

Kết quả quan trắc cho thấy, sau khi lắp đặt hệ thống nêm cát, mực nước trong các giếng quan trắc đã giảm đáng kể, cho thấy hiệu quả của việc thu lọc nước thấm. Lưu lượng nước thấm qua đập cũng giảm rõ rệt, từ đó giảm thiểu nguy cơ xói ngầm và mất ổn định cho đập. Các số liệu thu thập được đã được phân tích và so sánh với các mô hình tính toán, cho thấy sự phù hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết. Việc sử dụng phần mềm Midas để mô phỏng và tính toán thấm cũng đã chứng minh được tính chính xác và hiệu quả của hệ thống nêm cát trong việc kiểm soát nước thấm. Điều này không chỉ khẳng định giá trị của nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc cải tạo và nâng cấp các công trình đập đất hiện có.

III. Ứng dụng thực tiễn và khuyến nghị

Hệ thống nêm cát đã chứng minh được hiệu quả trong việc thu lọc nước thấm cho các đập đất vừa và nhỏ. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao an toàn cho các công trình mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các khuyến nghị cho việc triển khai hệ thống này bao gồm việc đào tạo kỹ thuật cho các kỹ sư, đảm bảo quy trình thi công đúng kỹ thuật và theo dõi hiệu quả hoạt động của hệ thống sau khi lắp đặt. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa thiết kế và bố trí hệ thống nêm cát, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí cho các công trình thủy lợi. Việc áp dụng hệ thống này sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc quản lý và bảo trì các công trình đập đất, đảm bảo an toàn cho cộng đồng và môi trường.

3.1. Đề xuất giải pháp cải tiến

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống nêm cát, cần nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp cải tiến như sử dụng vật liệu lọc mới, cải tiến thiết kế băng thu nước, và tối ưu hóa khoảng cách giữa các nêm. Việc áp dụng công nghệ mới trong thi công và giám sát cũng sẽ giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả của hệ thống. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc đánh giá lâu dài hiệu quả của hệ thống nêm cát trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp cho từng loại đập đất. Điều này không chỉ giúp cải thiện an toàn cho các công trình mà còn góp phần bảo vệ tài nguyên nước và môi trường sống.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sửa chữa đập đất vừa và nhỏ" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Đình Văn tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy, mã số 9 58 02 02), dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Quốc Dũng và TS. Phan Trường Giang vào năm 2019.

Ở Việt Nam, đập đắp bằng vật liệu địa phương chiếm đến 90% tổng số công trình ngăn nước tạo hồ. Trong hệ thống công trình thủy lợi hiện có gần 7.000 hồ chứa, phần lớn là đập đất quy mô vừa và nhỏ được xây dựng trong giai đoạn 1960–1980. Các công trình này có đặc điểm kỹ thuật khảo sát ban đầu còn hạn chế, thiếu tiêu chuẩn quy phạm thiết kế đồng bộ, thiết bị thi công chưa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, thiếu quy trình vận hành và ít được bảo trì định kỳ. Theo Báo cáo dự án đầu tư sửa chữa và nâng cao an toàn đập (vốn vay Ngân hàng Thế giới WB8), trong danh mục 430 hồ chứa xuống cấp có đến 40% công trình cần xử lý sự cố thấm, trong đó 90% là hồ đập vừa và nhỏ đang vận hành tích nước. Thống kê kỹ thuật chỉ ra rằng mất ổn định do thấm chiếm gần 45%–50% các sự cố hư hỏng đập đất.

Khoảng trống nghiên cứu nảy sinh từ việc các tiêu chuẩn hiện hành (như TCVN 8422:2010 hay tiêu chuẩn FEMA của Mỹ) và các giải pháp lọc ngược truyền thống (cát – dăm – sỏi) chủ yếu được thiết kế áp dụng cho đập đắp mới. Khi áp dụng vào nâng cấp, cải tạo đập đang tích nước, các giải pháp truyền thống bộc lộ nhiều bất cập: tính toán cấp phối phức tạp, khó tìm kiếm nguồn vật liệu đồng đều tại địa phương, và đặc biệt việc đào bóc chân mái đập trên quy mô lớn để đặt tầng lọc làm tăng nguy cơ mất an toàn đập khi hồ đang chứa nước. Sáng chế "Nêm cát để thu lọc nước thấm hạ lưu đập đất" (được công bố trong Bằng độc quyền sáng chế số CBA 351 vào tháng 6/2017) đã đề xuất giải pháp kỹ thuật mới nhưng mới dừng lại ở mặt ý tưởng, chưa được xác lập cơ sở lý thuyết tính toán, chưa kiểm chứng hiệu quả thực tế và chưa xác định quy cách bố trí hình học hợp lý.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

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 nêm cát để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nước thấm, vừa bảo đảm an toàn thi công khi hồ đang tích nước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Đập đất đồng chất quy mô vừa và nhỏ (theo định nghĩa tại Điều 3 Nghị định 114/2018/NĐ-CP: đập vừa có chiều cao từ 10 m đến dưới 15 m hoặc dung tích từ 500.000 m³; đập nhỏ có chiều cao dưới 10 m hoặc dung tích dưới 500.000 m³; thuộc công trình cấp III, IV theo QCVN 04-05:2012) đang tích nước và bị thấm quá mức, cần xử lý bảo đảm an toàn kể cả trong quá trình thi công.
• Phạm vi nghiên cứu: Xác định cao trình điểm ra của đường bão hòa khi lắp đặt nêm cát; tính toán hệ số ổn định trượt tổng thể, hệ số ổn định trượt cục bộ và gradient thấm lớn nhất xuất hiện trong quá trình đào rãnh thi công; đánh giá chất lượng thu gom và lọc nước thông qua phân tích chỉ số độ đục NTU và lưu lượng thấm trên mô hình thực nghiệm hiện trường tỷ lệ 1:1 trong 2 năm (2016–2017).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các công trình nghiên cứu và thống kê kỹ thuật về sự cố thấm đập đất:

• Báo cáo của Hội đập lớn Hoa Kỳ (ASCE/USCOLD, 1975) phân loại 4 nhóm nguyên nhân gây sự cố đập: tràn đỉnh (38%), thấm và xói ngầm (33%), mất ổn định mái và nền (23%), các nguyên nhân khác (6%).
• Báo cáo của Todd Hill, P. (Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ – USBR, 2016) tổng kết số liệu hư hỏng đập đất tại Mỹ, xác định tổng hư hỏng do xói ngầm chiếm từ 43,1% đến 54,2% và tràn đập chiếm từ 40,7% đến 53,4%.
• Lịch sử nghiên cứu tầng lọc và xói ngầm trên thế giới: Bắt đầu từ nghiên cứu đập Bohio (1902); các luận điểm cơ bản của Terzaghi (1925) về kiểm soát dòng thấm; tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc đầu tiên của Hiệp hội Kỹ sư Hoa Kỳ (1941); tiêu chuẩn Cục Khai hoang Hoa Kỳ USBR (1955); nghiên cứu tầng lọc cho vùng đất nứt nẻ của Sherard (1984); Hướng dẫn thiết kế tầng lọc của Ủy hội Đập lớn Thế giới ICOLD (1994); nghiên cứu tầng lọc vùng tiếp xúc công trình bê tông của Foster (2001) và Milligan (2003); hướng dẫn "Filter for Embankment Dams – Best Practice for Design and Construction" của Cục Ứng cứu Khẩn cấp Liên bang Hoa Kỳ (FEMA, 2011).
• Nghiên cứu về sự cố thoát nước và tầng lọc: Sự cố tại đập Washakie (Mỹ, 2000) do đắp áp trúc bằng đất ít thấm làm đường bão hòa dâng cao; tại Việt Nam có đập Quý Lộ (Nghệ An), đập Triệu Thượng (Quảng Trị) bị trượt mái hạ lưu do đắp áp trúc kết hợp tầng lọc áp mái lộ thiên không thoát được nước, và đập Hàm Lợn (Hà Nội) bị bồi tắc ống thu nước đục lỗ.
• Cơ sở tiêu chuẩn và lý thuyết đánh giá: Tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc ngược TCVN 8422:2010; Tiêu chuẩn thiết kế đập đất đầm nén TCVN 8216-2009; Tiêu chuẩn đập đất đá đầm nén SDJ 218-84 (Trung Quốc); Sổ tay kỹ thuật tưới tiêu đập đất của Viện Tưới tiêu Nhật Bản; Tiêu chuẩn đập ngầm TCVN 12286:2018; Tiêu chí an toàn điểm ra đường bão hòa của Phạm Ngọc Quý; Các kết quả nghiên cứu ứng dụng băng thu nước khía rãnh mao dẫn của Nguyễn Quốc Dũng và Viện Thủy công.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án tập trung giải quyết: Thiết lập cơ sở khoa học, công thức tính toán và quy chuẩn thi công an toàn cho giải pháp kết cấu nêm cát thu lọc nước thấm dạng ngắt quãng (răng lược), thay thế tầng lọc truyền thống cho các đập đất vừa và nhỏ đang vận hành tích nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết và công cụ phân tích sau:

• Lý thuyết dòng thấm và ổn định công trình đất: Phương trình vi phân dòng thấm ổn định và không ổn định trong môi trường rỗng dựa trên định luật Darcy, xét các hệ số thấm không gian ($k_x, k_y, k_z$), cột nước áp lực ($u_w$), áp lực nước lỗ rỗng ($p_w$), gradient thủy lực ($j$) và độ bão hòa ($S_w$). Phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn kết hợp phương pháp chiết giảm cường độ kháng cắt ($c, \varphi$) để xác định hệ số an toàn nhỏ nhất ($K_{minmin}$) so với hệ số an toàn cho phép ($[K]{cp}$), cùng tiêu chí gradient thấm tới hạn ($J{max} < [J]_{cp}$).
• Nguyên lý lọc chậm và mao dẫn của băng thu nước khía rãnh: Băng thu nước dạng tấm phẳng rộng 20 cm, có các rãnh khía hình chữ $\Omega$ với miệng rãnh hẹp từ 0,2 mm đến 0,25 mm và lõi trong phình rộng 0,5 mm, gắn trên ống nhựa PVC đường kính D90 thoát nước không áp. Khi mặt phẳng trơn hướng đón dòng thấm, nước thấm men theo mặt ngoài và đi vòng vào khe rãnh theo cơ chế mao dẫn và lọc chậm, giữ lại các hạt bùn sét và hạt cát mịn trong khối cát thô bao bọc bên ngoài. Công thức tính chiều dài băng thu nước theo TCVN 12286:2018: $$L_b = \frac{Q_c}{W_b \times 1,2}$$ Trong đó $Q_c$ là lưu lượng cần thoát (lít/phút), $W_b$ là lưu lượng thu được trên 1 m chiều dài băng trong môi trường nghèo nước ($W_b = 0,5$ lít/phút/m).
• Phương pháp nghiên cứu mô hình số: Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật Midas GTS (kết hợp đối chứng phần mềm Seep/W) để mô phỏng bài toán thấm và ổn định 2D, 3D, tái hiện trường thấm dạng dãy giếng thu nước và xác định độ vồng của đường bão hòa giữa các nêm cát.
• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện trường: Lắp đặt mô hình kích thước thật (tỷ lệ 1:1) gồm 3 nêm cát ($N_1, N_2, N_3$) kết hợp hệ thống 4 giếng quan trắc ($h_1, h_2, h_2', h_3$) tại đập hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa), theo dõi diễn biến mực nước, lưu lượng thấm và đo độ đục của nước (chỉ số NTU) liên tục trong 2 năm (2016–2017).

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về rủi ro thấm trên thế giới và tại Việt Nam. Theo số liệu tổng kết của Todd Hill, P. (USBR, 2016) về các dạng hư hỏng đập đất tại Mỹ, các sự cố liên quan đến dòng thấm và xói ngầm luôn chiếm tỷ lệ cao trong suốt chiều dài lịch sử vận hành.

Dạng hư hỏng	Tổng hư hỏng (%)	Hư hỏng trước năm 1950 (%)	Hư hỏng sau năm 1950 (%)
Tràn đập	34,2%	36,2%	32,2%
Đập tràn / cống xả (công trình hỗ trợ)	12,8%	17,2%	8,5%
Xói ngầm xuyên qua thân đập	32,5%	29,3%	35,5%
Xói ngầm từ kè vào móng	1,7%	0,0%	3,4%
Xói ngầm xuyên qua móng	12,8%	10,4%	15,3%
Sạt lở mái hạ lưu	3,4%	6,9%	0,0%
Sạt lở mái thượng lưu	0,9%	0,0%	1,7%
Động đất	1,7%	0,0%	3,4%
Tổng cộng	100%	100%	100%
Tổng hư hỏng do tràn đập và công trình hỗ trợ	48,4%	53,4%	40,7%
Tổng hư hỏng do xói ngầm	46,9%	43,1%	54,2%
Tổng hư hỏng do sạt lở	5,5%	6,9%	1,6%
Tổng số hư hại đập đất (trong thi công)	124	61	63
Tổng số năm vận hành đập đất (đến 1986)	300.400 năm	-	-
Xác suất hư hỏng tổng thể	$4,1 \times 10^{-4}$	$8,6 \times 10^{-4}$	$2,7 \times 10^{-4}$

Chương này cũng làm rõ các cơ chế phá hoại: phá hoại do đường bão hòa dâng cao làm trượt sạt mái hạ lưu, và phá hoại do xói ngầm hình thành đường ống dẫn nước từ hạ lưu ngược về thượng lưu. Về mặt kiểm soát thấm, chương phân tích các hạn chế của vải địa kỹ thuật (dễ bị bít tắc do không hình thành được vòm hạt tự nhiên) và kết cấu lọc áp mái hở. Đồng thời, chương giới thiệu kết cấu sáng chế nêm cát: rãnh đào hình nêm có thành đứng, mái lưng dốc $m_3 = V/H = 1:0,5$, lớp cát vàng thô áp lưng có bề rộng trung bình ($B_1, B_2$) tối thiểu 1 m, bên trong chứa ống PVC D90 gắn băng thu nước khía rãnh hình chữ $\Omega$.

Số liệu đo độ đục của nước qua tầng lọc dùng băng khía rãnh tại các công trình cấp nước sinh hoạt do Viện Thủy công thực hiện được tổng hợp nhằm chứng minh hiệu quả loại bỏ hạt lơ lửng:

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

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

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán mô phỏng thủy lực thấm và ổn định cơ học đất khi lắp đặt nêm cát trên một mặt cắt đập đất đồng chất điển hình cao $H = 15$ m (giới hạn trên của đập vừa) bằng phần mềm Midas GTS. Tác giả xây dựng các kịch bản tính toán để xác định quy trình thi công an toàn trong điều kiện hồ đang tích nước:

• Kịch bản A (Khảo sát chiều rộng khoang đào $W$): Tính toán biến thiên hệ số ổn định trượt $K$ và gradient dòng thấm $J$ tại vách hố đào khi thay đổi chiều rộng rãnh đào từ 1 m đến 20 m. Kết quả cho thấy khi chiều rộng rãnh đào $W > 5$ m, hệ số an toàn giảm sâu và gradient thấm tại vách đào vượt ngưỡng cho phép, có nguy cơ gây trượt lở cục bộ và xói ngầm. Do đó, quy định chiều rộng rãnh đào $W \le 5$ m, và tối ưu nhất là $W = 1$ m (phù hợp với bề rộng gầu máy đào thông dụng).
• Kịch bản B và C (Đào nhiều rãnh đồng thời): Khảo sát trường hợp đào đồng thời nhiều rãnh với chiều rộng $W = 1$ m (kịch bản B) và $W = 2$ m (kịch bản C). Kết luận đưa ra là với $W = 1$ m và khoảng cách rãnh $L \le 4$ m, cho phép đào mở tối đa 3 rãnh cùng một thời điểm; sau khi lắp đặt xong kết cấu nêm và lấp đất đầm chặt ở rãnh nào thì mới tiến hành đào các rãnh tiếp theo theo phương thức cuốn chiếu để đảm bảo $K \ge [K]{cp}$ và $J{max} < [J]_{cp}$.
• Kịch bản D (Khảo sát khoảng cách giữa các nêm cát và độ vồng đường bão hòa): Mô phỏng trường hợp nêm cát bố trí cách nhau $L = 3$ m và $L = 4$ m. Dòng thấm trong thân đập bị hút về hai phía nêm cát tương tự cơ chế thu nước của một hàng giếng khoan. Kết quả phân tích không gian 3D chỉ ra rằng tại khoảng cách $L = 4$ m, độ vồng của đường bão hòa giữa hai nêm cát là rất nhỏ, toàn bộ đường bão hòa hạ thấp hoàn toàn xuống dưới mái hạ lưu, bảo đảm điều kiện an toàn thấm theo tiêu chuẩn.

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

Chương 3 trình bày việc kiểm chứng thực nghiệm tại đập hồ chứa nước Đồng Bể (huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa). Công trình này từng được đắp khối áp trúc vào năm 2003 nhưng bị thấm cục bộ: nước thấm không thoát được về đống đá tiêu nước mà bị ứ lại tại mặt tiếp xúc giữa thân đập cũ và khối áp trúc, gây đọng nước trên cơ hạ lưu (cao trình mực nước trong giếng quan trắc $h_3$ khi chưa xử lý có số đọc âm, nghĩa là nước dâng cao hơn mặt đất cơ đập).

Tác giả đã triển khai thi công 3 nêm cát ($N_1, N_2, N_3$) với chiều rộng mỗi rãnh $W = 1$ m, khoảng cách giữa các nêm $L = 4$ m, bố trí 4 giếng quan trắc mực nước ($h_1, h_2, h_2', h_3$) và đồng hồ đo lưu lượng.

Kết quả quan trắc thực nghiệm trong 2 năm (2016–2017):

• Hạ thấp mực nước ngầm: Sau khi lắp đặt nêm cát, cột nước thấm trước nêm ($h_1$) giảm mạnh: năm 2016 hạ thấp 1,48 m và năm 2017 hạ thấp 1,12 m. Nước thấm hoàn toàn không còn xuất hiện trên bề mặt cơ hạ lưu.
• Quy luật vận động dòng thấm: Diễn biến dâng hạ của đường bão hòa tại nêm cát ($h_1$), giữa hai nêm cát ($h_2, h_2'$) và ngoài xa nêm cát ($h_3$) đồng pha với dao động của mực nước thượng lưu hồ chứa. Độ vồng đường bão hòa quan trắc thực tế khớp với kết quả mô phỏng trên mô hình toán Midas 3D ở các mức mực nước thượng lưu +36,80 m; +38,20 m; +39,05 m và +39,70 m.
• Phân bố lưu lượng thu nước trong nêm cát: Số liệu đo đạc lưu lượng qua từng lớp băng thu nước tại nêm $N_2$ cho thấy dòng thấm trong thân đập dâng cao rồi đổ dồn chủ yếu vào lớp đáy dưới cùng của nêm cát. Do đó, tác giả đưa ra kiến nghị điều chỉnh thiết kế: chỉ cần đặt một lớp băng thu nước liên tục ở đáy rãnh thay vì đặt nhiều tầng băng theo chiều cao, giúp tiết kiệm vật liệu và đơn giản hóa thi công.
• Độ bền và chất lượng lọc: Sau 2 năm vận hành liên tục, hệ thống nêm cát hoạt động ổn định, lưu lượng thoát đều đặn, không có hiện tượng bồi tắc hay cuốn trôi hạt đất, chất lượng nước thoát ra đạt độ trong yêu cầu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận:

• Thiết lập cơ sở khoa học và phương pháp tính toán thủy lực thấm – ổn định cho kết cấu nêm cát thu lọc nước thấm dạng ngắt quãng ở hạ lưu đập đất.
• Xác định được bản chất dòng thấm không gian 3D tập trung về các nêm cát theo nguyên lý thu nước dãy giếng khoan, làm rõ quy luật xuất hiện độ vồng của đường bão hòa giữa các nêm và chứng minh cơ chế mao dẫn lọc chậm của băng khía rãnh đặt trong tầng cát thô.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn:

• Đề xuất được các thông số bố trí hình học và quy trình công nghệ thi công an toàn cho đập đất vừa và nhỏ đang tích nước: chiều rộng rãnh đào $W = 1$ m, mái đào $m_3 = 1:0,5$, khoảng cách giữa các nêm $L = 4$ m, cho phép mở đồng thời tối đa 3 rãnh hở và thi công cuốn chiếu.
• Tối ưu hóa cấu tạo kết cấu nêm cát (bố trí 1 lớp băng thu nước khía rãnh ở đáy nêm cát kết hợp ống dẫn PVC D90 thoát nước không áp), cung cấp một giải pháp kỹ thuật có chi phí hợp lý, thi công nhanh gọn, không cần hạ cạn hồ chứa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của luận án: Luận án mới chỉ tập trung nghiên cứu trên đối tượng đập đất đồng chất quy mô vừa và nhỏ có chiều cao $H < 15$ m (công trình cấp III, IV); mô hình thực nghiệm 1:1 mới thực hiện tại một công trình đơn lẻ (đập Đồng Bể, Thanh Hóa) với thời gian quan trắc trong 2 năm; việc khai báo thông số tương đương của băng lọc khía rãnh trong phần mềm Midas GTS dựa trên hệ số thấm quy đổi giả định ($K = 1,5 \times 10^{-3}$ m/s).
• Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng nghiên cứu tính toán cho đập đất không đồng chất (đập có tường tâm, đập nhiều khối) và các đập có chiều cao lớn hơn ($H \ge 15$ m, công trình cấp I, cấp II); nghiên cứu chi tiết hơn cơ chế thủy lực vi mô qua các khe rãnh chữ $\Omega$ trong các môi trường địa chất đất đắp phức tạp; tiếp tục quan trắc dài hạn độ bền vật liệu polymer của băng khía rãnh qua nhiều năm vận hành.

Giá trị tham khảo

• Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công trình thủy, Địa kỹ thuật: Tài liệu cung cấp phương pháp luận kết hợp giữa tính toán mô hình số không gian 3D (phần mềm Midas GTS) với quan trắc thực nghiệm tỷ lệ 1:1 ngoài hiện trường để giải quyết bài toán thấm và ổn định.
• Đối với kỹ sư tư vấn thiết kế: Cung cấp quy trình tính toán kích thước, khoảng cách bố trí nêm cát và các tiêu chí an toàn (hệ số ổn định trượt, gradient dòng thấm) khi lập hồ sơ thiết kế nâng cấp, sửa chữa hệ thống thoát nước hạ lưu đập đất đang tích nước.
• Đối với đơn vị quản lý, khai thác công trình thủy lợi: Cung cấp giải pháp xử lý sự cố thấm mái hạ lưu nhanh chóng, an toàn khi hồ chứa đang tích nước mà không làm gián đoạn nhiệm vụ cấp nước tưới tiêu.

Câu hỏi thường gặp

1. Kết cấu nêm cát có cấu tạo như thế nào và làm việc theo nguyên lý gì? Hệ thống nêm cát gồm các rãnh đào hình nêm ở chân mái hạ lưu, bên trong phủ lớp cát vàng hạt thô áp vào lưng rãnh (chiều dày trung bình tối thiểu 1 m). Lõi nêm đặt các băng thu nước khía rãnh hình chữ $\Omega$ (miệng khe hẹp 0,2–0,25 mm, lõi 0,5 mm, rộng 20 cm) cắm vào ống nhựa PVC D90 thoát nước không áp. Nước thấm từ thân đập chảy vào cát thô và đi vào rãnh thu theo nguyên lý mao dẫn và lọc chậm, giúp loại bỏ hạt mịn và ngăn ngừa bồi tắc tầng lọc.

2. Các thông số thi công rãnh nêm cát nào bảo đảm an toàn khi hồ đang tích nước? Khi hồ đang tích nước, chiều rộng rãnh đào phải thỏa mãn $W \le 5$ m, tối ưu nhất là $W = 1$ m. Khoảng cách giữa các nêm quy định $L \le 4$ m. Trong quá trình thi công, chỉ cho phép đào mở tối đa 3 rãnh hở cùng một lúc; lắp đặt xong kết cấu nêm và lấp đất đầm chặt ở rãnh nào thì mới được đào tiếp rãnh mới theo phương thức cuốn chiếu để giữ gradient thấm vách đào $J_{max} < [J]{cp}$ và hệ số ổn định $K \ge [K]{cp}$.

3. Hiệu quả thực nghiệm tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa) được thể hiện qua các số liệu nào? Sau khi lắp đặt 3 nêm cát tại đập Đồng Bể, cột nước thấm trước nêm giảm 1,48 m (năm 2016) và 1,12 m (năm 2017), chấm dứt hoàn toàn hiện tượng ứ đọng nước trên cơ hạ lưu. Nước sau khi lọc qua nêm cát có độ trong cao, lưu lượng thoát ổn định và không có dấu hiệu bồi tắc sau 2 năm quan trắc liên tục.

4. Vì sao tác giả kiến nghị chỉ cần bố trí 1 lớp băng thu nước ở đáy rãnh nêm cát? Kết quả đo lưu lượng thực tế qua từng lớp băng tại nêm $N_2$ đập Đồng Bể cho thấy nước thấm từ thân đập dâng cao rồi đổ dồn chủ yếu vào lớp dưới cùng của nêm cát. Do đó, việc đặt 1 lớp băng lọc liên tục ở đáy rãnh vẫn thu gom trọn vẹn lưu lượng thấm, giúp giảm số lượng băng sử dụng và đơn giản hóa quy trình thi công.

5. Vì sao giải pháp nêm cát trong luận án chỉ giới hạn áp dụng cho đập vừa và nhỏ ($H < 15$ m)? Đập đất vừa và nhỏ (cấp III, IV) thường có kết cấu thoát nước đơn giản kiểu áp mái hoặc đống đá tiêu nước chân đập nên dễ bị tắc và ít được lắp đặt thiết bị quan trắc chuyên sâu. Trong khi đó, các đập lớn ($H \ge 15$ m, cấp I, II) có yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt hơn, thường đã có ống khói lọc hoặc thảm tiêu nước đáy hoàn chỉnh ngay từ khi đắp mới. Việc áp dụng cho đập lớn cần có thêm các nghiên cứu kiểm chứng chuyên sâu.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Đình Văn đã xác lập cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho giải pháp kết cấu nêm cát thu-lọc-thoát nước thấm hạ lưu đập đất vừa và nhỏ. Bằng việc kết hợp mô phỏng số 3D trên phần mềm Midas GTS và quan trắc thực tế 2 năm tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa), công trình đã xác định các thông số hình học tối ưu ($W = 1$ m, $L = 4$ m) và quy trình thi công cuốn chiếu an toàn khi hồ đang tích nước. Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp kỹ thuật bổ sung hữu ích phục vụ công tác sửa chữa, nâng cao an toàn cho hệ thống hồ đập thủy lợi quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo. Nội dung và cấu trúc Luận án có thể tóm tắt nhƣ sau: CHƢƠNG 1: Tổng quan về thấm và kiểm soát thấm ở đập đất Thấm là một nguyên nhân chính gây ra sự cố, hƣ hỏng đập đất. Vì vậy, khi thiết kế đập đất cần phải cả kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm. Hiện nay trong thiết kết nâng cấp cải tạo đập vừa và nhỏ có vấn đề về thấm, tƣ vấn thƣờng ƣu tiên quan tâm đến kết cấu chống thấm mà coi nhẹ việc thiết kế kết cấu kiểm soát thấm (lọc và thoát nƣớc).

Tầng lọc bằng cát-đá-sỏi truyền thống áp dụng trong đập đất đƣợc nghiên cứu từ những năm 50 của thế kỷ trƣớc và đã đƣợc xây dựng thành tiêu chuẩn. Kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm trong đập đất (mà bản chất là tầng lọc) trình bày trong tiêu chuẩn và các tài liệu hiện có áp dụng phù hợp cho đập đắp mới. Với các đập vừa và nhỏ cần xử lý thấm cần phải có kết cấu phù hợp, hiệu quả về thu-lọc-thoát nƣớc cao, đơn giản, dễ thi công và đặc biệt là đảm bảo an toàn thi công khi hồ đang tích nƣớc. Sáng chế nêm cát thu lọc nƣớc thấm do tác giả cùng nhóm nghiên cứu đề xuất cung cấp một giải pháp mới để thu lọc nƣớc thấm sau đập đất, sử dụng vật liệu mới là băng thu khía rãnh theo nguyên lý mao dẫn.

Nhờ đó đã làm đơn giản cách tính toán, thi công nhanh có thể áp dụng cho đập vừa và nhỏ đang tích nƣớc. Tuy nhiên để có thế áp dụng rộng rãi cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ hiệu quả lý thuyết và thực tế. CHƢƠNG 2: Nghiên cứu cơ sở lý luận về nêm cát Nêm cát thu-lọc-thoát nƣớc thấm phải đạt đƣợc mục tiêu hạ thấp đƣờng bão hòa, luan an 5 với đập đang bị thấm thì nó phải đƣa đƣợc đƣờng bão hòa trong đập đất về trong phạm vi an toàn (theo tiêu chí về thấm thì độ cao điểm ra của đƣờng bão hòa phải nhỏ hơn giá trị giới hạn). Ngoài ra, chất lƣợng lọc phải đảm bảo ổn định lâu dài để không sinh ra hiện tƣợng rửa trôi hoặc lấp tắc, trong quá trình đào rãnh để lắp đặt phải tuyệt đối bảo đảm an toàn.

Trong Chƣơng này, Luận án đã phân tích và lựa chọn phần mềm Midas GTS để phân tích đƣờng bão hòa thấm cho một đập đất cao 15 m (giới hạn trên của đập loại vừa), bị thấm quá mức giới hạn (điểm ra của đƣờng bão hòa nằm trên giá trị giới hạn), cần xử lý thấm bằng nêm cát. Bằng phần mềm Midas GTS, luận án đã tính toán và kết luận: - Khi hồ đang tích nƣớc chỉ đƣợc phép đào chân đập để lắp đặt nêm cát với chiều rộng rãnh đào không quá 5 m (W<5 m). Tốt nhất là 1 m để phù hợp với thiết bị thi công. - Với rãnh đào 1 m (W=1 m) thì khoảng cách rãnh đào không nên quá 4 m (L<4 m), cho phép đào và để hở 3 rãnh một lúc, lắp đặt xong rãnh nào thì lấp lại, sau đó mới đƣợc đào rãnh tiếp theo.

Làm nhƣ vậy để đảm bảo gradient dòng thấm xuất hiện trên vách hố đào không vƣợt quá giá trị giới hạn (Jmax < [J]) và hệ số an toàn ổn định cho phép (K < [K]); - Với W=1 m và L=4 m, phần mềm Midas GTS đã cung cấp bức tranh dòng thấm bị hút vào nêm cát tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng hút nƣớc dãy giếng khoan. Với L=4 m thì độ vồng của đƣờng mực nƣớc không đáng kể, chứng tỏ khoảng cách bố trí nhƣ vậy là phù hợp. Qua kết quả đạt đƣợc trong Chƣơng này, luận án kết luận phần mềm Midas GTS làm một phần mềm mạnh trong việc mô phỏng bài toán thi công lắp đặt nêm cát và phân tích bài toán thấm không gian. Điều này sẽ đƣợc tiếp tục chứng minh trong Chƣơng tiếp theo, khi so sánh kết quả tính bằng phần mềm với kết quả đo trên mô hình thực tế tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa).

CHƢƠNG 3: Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nƣớc thấm tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa luan an 6 Trong Chƣơng 2 việc khai báo băng khía rãnh nhƣ một loại vật liệu có hệ số thấm K = 1,5x10-3 m/s cũng chỉ theo kinh nghiệm của ngƣời tính mà chƣa đƣợc kiểm chứng, Đặc biệt, chất lƣợng lọc của nêm cát, cũng nhƣ hoạt động của nêm cát có đƣợc ổn định lâu dài hay không thì không thể tính bằng phần mềm đƣợc. Vì vậy, Luận án đã tiến hành lắp đặt 3 nêm cát và hệ thống quan trắc cao độ đƣờng bão hòa, đo lƣu lƣợng thấm, đo chất lƣợng lọc, v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) và quan trắc số liệu trong 2 năm 2016 và năm 2017. Kết quả thực nghiệm hiện trƣờng cho thấy sự phù hợp với kết quả tính toán bằng phần mềm Midas GTS. Cụ thể: - Khi chƣa lắp đặt nêm cát, nƣớc thấm ra cơ hạ lƣu (số đọc trong giếng h3 âm).

- Khi lắp đặt nêm cát thì cột nƣớc trƣớc nêm cát giảm (số đọc h1 dƣơng), năm 2016 là 1,48 m và năm 2017 là 1,12 m. Chấm dứt hiện tƣợng nƣớc thấm ra cơ hạ lƣu. - Xu hƣớng vận động lên xuống của đƣờng bão hòa tại nêm cát (số đọc h1), giữa nêm cát (số đọc h2 và h2‟ ) và ngoài xa nêm cát (số đọc h3) đồng pha và phụ thuộc mực nƣớc hạ lƣu. Độ vồng của đƣờng bão hòa giữa 2 nêm cát khá phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.

- Qua đó cho thấy việc bố trí khoảng cách nêm cát 4 m là hợp lý. - Kết quả quan trắc cho thấy dòng thấm trong thân đập đã dâng cao và đổ vào lƣng nêm cát. Điều này dẫn đến kiến nghị: xem xét nên đặt băng lọc bố trí liên tục một lớp ở đáy thay vì bố trí nhiều lớp. - Sau hai năm hoạt động nêm cát vẫn hoạt động bình thƣờng, điều này khẳng định một lần nữa nêm cát hoạt động bền vững, ít có nguy cơ tắc.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TỒN TẠI VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP TỤC DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO luan an 7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT 1.1 Thấm là nguyên nhân chính gây mất an toàn đập Theo [29] (Todd Hill, P.; Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ; Đập đất- Các dạng hƣ hỏng tiềm năng; Báo cáo tại Hội thảo ngày 12/07/2016, Hà Nội), tổng kết các dạng hƣ hỏng của đập đất tại Mỹ nhƣ Bảng 1-1. Bảng 1-1 Tổng kết các hƣ hỏng đập đất tại Mỹ [29] % Tổng hƣ % Hƣ % Hƣ hỏng (khi phát hỏng Dạng hƣ hỏng hỏng sau hiện thấy dạng trƣớc năm 1950 hƣ hỏng) năm 1950 Tràn đập 34,2% 36,2% 32,2% Đập tràn/ cống xả (các công trình hỗ trợ) 12,8% 17,2% 8,5% Xói ngầm xuyên qua đập 32,5% 29,3% 35,5% Xói ngầm từ kè vào móng 1,7% 0% 3,4% Xói ngầm xuyên qua móng 12,8% 10,4% 15,3% Sạt lở hạ lƣu 3,4% 6,9% 0% Sạt lở thƣợng lƣu 0,9% 0% 1,7% Động đất 1,7% 0% 3,4% Tổng cộng (3) 100% 100% 100% Tổng tràn đập và các công trình hỗ trợ 48,4% 53,4% 40,7% Tổng xói ngầm 46,9% 43,1% 54,2% Tổng sạt lở 5,5% 6,9% 1,6% Tổng số hƣ hại đập đất (trong thi công) 124 61 63 Tổng số năm vận hành đập đất (cho tới 300.400 năm 1986) Tổng xác suất hƣ hỏng 4,1 x 104 8,6 x 104 2,7 x 104 Nhận xét: Hư hỏng thường gặp ở đập đất do thấm chiếm khoảng 45%-50%. luan an 8 Theo báo cáo của Hội đập lớn Mỹ, ASCE/USCOLD (năm 1975), có 4 nguyên nhân chính gây sự cố cho đập nhƣ sau: (1) Tràn đỉnh (38%): do sự cố khi mở cửa, năng lực tràn không đủ; (2) Thấm, xói ngầm (33%): do thấm qua nền, thấm qua thân đập, thấm vai, thấm tiếp xúc giữa đất đắp và công trình; (3) Mất ổn định (23%): do mất ổn định nền móng của đập trọng lực; trƣợt mái ở đập đất; (4) Nguyên nhân khác (6%): hƣ hỏng cửa van, rác, vận hành, phá hoại [1]. Nói tóm lại, thấm là nguyên nhân chính (ngoài tràn đỉnh) gây sự cố đập.648 hồ chứa thủy lợi và phần lớn trong số đó có đập tạo hồ là đập đất [1], [5].000 hồ chứa quy mô vừa và nhỏ đƣợc xây dựng từ những năm 1960 - 1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo [29].

Báo cáo dự án „„Đầu tƣ sửa chữa và nâng cao an toàn đập“ [29] kết luận: rủi ro liên quan đến hồ chứa hiện hữu ở tất cả mức độ từ nguy cơ đến sự cố, thể hiện ở sự xuống cấp, hƣ hỏng công trình đầu mối nhƣ thấm, biến dạng mái đập, không đủ khả năng xả lũ, hƣ hỏng công trình lấy nƣớc trong thân đập, v. Thấm là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự cố đập đất, vì vậy xử lý thấm là một biện pháp giảm thiểu rủi ro về an toàn đập. Luận án tập trung nghiên cứu cho đập đất vừa và nhỏ có chiều cao đập nhỏ hơn 15 m, đập đang bị thấm cần phải xử lý, trong thời gian hồ đang tích nƣớc, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012). Loại đập này đƣợc xây dựng khá sớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo, thƣờng sử dụng kết cấu thoát nƣớc kiểu áp mái kết hợp đống đá tiêu nƣớc ở hạ lƣu nên dễ bị tắc, theo Báo cáo dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015.

Đối với công trình cấp III, IV chỉ trong trƣờng hợp đặc biệt mới bố trí các thiết bị quan trắc nên khó có thể phát hiện sớm các sự cố và thƣờng khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt là sự cố về thấm. Còn với đập cấp II, cấp I , tức là đập có chiều cao trên 15m có yêu cầu về kỹ thuật rất cao (thiết bị thoát nƣớc thấm thƣờng có dạng ống khói trong thân đập, thảm tiêu nƣớc nền đập, .) nên hạn chế đƣợc lấp tắc. Vì những nguyên nhân trên mà NCS chỉ kết luận áp dụng hệ thống nêm cát trong nâng cấp đập đất vừa và nhỏ. Với các hồ lớn cần có nghiên cứu tiếp tục để khẳng định luan an 9 tính an toàn thêm.