Tổng quan nghiên cứu

Hồ chứa nước là công trình thủy lợi phổ biến nhất tại Việt Nam, với khoảng 1.959 hồ chứa có dung tích từ 0,2 triệu m³ trở lên, trong đó khu vực miền Trung và Tây Nguyên chiếm tới 80% tổng số lượng hồ chứa cả nước. Các hồ chứa này chủ yếu là đập đất vừa và nhỏ, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước phục vụ sản xuất nông nghiệp và sinh hoạt. Tuy nhiên, tình trạng hư hỏng do thấm nước qua thân đập diễn ra phổ biến, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn công trình và tính mạng người dân. Ví dụ điển hình như sự cố vỡ hồ chứa tại Đắk Lắk năm 1978 với dung tích 500.000 m³ làm chết hơn 30 người, hay hồ Nhà Trò (Nghệ An) dung tích 2 triệu m³ vỡ làm chết 27 người.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiện trạng dòng thấm và nguyên nhân hư hỏng do thấm của các đập đất vừa và nhỏ tại miền Trung - Tây Nguyên, đồng thời đề xuất các giải pháp sửa chữa, nâng cấp phù hợp nhằm đảm bảo an toàn hồ chứa trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt, mưa lũ thất thường của khu vực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các đập đất vừa và nhỏ tại 19 tỉnh miền Trung và Tây Nguyên, với dữ liệu khảo sát thực địa và phân tích lý thuyết trong giai đoạn 2010-2011.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc giảm thiểu rủi ro vỡ đập, bảo vệ tài sản và tính mạng người dân, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành và bảo trì các công trình thủy lợi tại khu vực có mật độ hồ chứa cao nhất cả nước.

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 và ổn định đập đất, bao gồm:

  • Lý thuyết thấm nước trong đất bão hòa và không bão hòa: Dòng thấm được mô tả dựa trên gradient cột nước thủy lực, trong đó nước chuyển động từ vùng áp lực cao đến thấp. Môi trường đất được xem là hỗn hợp nhiều pha gồm pha rắn (hạt đất), pha lỏng (nước) và pha khí (khí trong lỗ rỗng).
  • Phương trình Laplace và phương pháp thủy lực: Sử dụng phương trình Laplace để mô tả dòng thấm trong môi trường đồng nhất, không nén, giúp xác định lưu lượng, gradient và áp lực thấm. Phương pháp thủy lực được áp dụng để giải bài toán thấm trong điều kiện thực tế với các giả thiết phù hợp, cho kết quả tính toán chính xác và dễ áp dụng trong thiết kế.
  • Lý thuyết ổn định mái đập: Phân tích ảnh hưởng của dòng thấm đến sự ổn định mái đập, bao gồm hiện tượng trượt mái do giảm chỉ tiêu cơ lý đất khi bão hòa nước, cũng như tác động của áp lực thấm ngược khi mực nước thay đổi đột ngột.
  • Khái niệm đường bão hòa và gradient thấm: Xác định vị trí đường bão hòa trong thân đập để bố trí vật liệu và hệ thống thoát nước phù hợp, đồng thời tính toán gradient thấm để đánh giá nguy cơ xói ngầm và trượt mái.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ dự án điều tra, đánh giá hiện trạng thấm qua thân đập tại miền Trung - Tây Nguyên do Viện Thủy Công thực hiện, kết hợp khảo sát thực địa 90 hồ chứa phân bố tại 19 tỉnh trong khu vực. Dữ liệu bao gồm thông tin thiết kế, vận hành, hiện trạng hư hỏng, đo đạc lưu lượng thấm, áp lực thấm và mực nước.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp điều tra khảo sát thực địa, đo đạc lưu lượng và áp lực thấm; tổng hợp, phân tích số liệu hiện trạng thấm và hư hỏng; áp dụng mô hình toán và phần mềm chuyên dụng để tính toán dòng thấm và ổn định mái đập.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong hai năm 2010-2011, bao gồm công tác ngoại nghiệp (khảo sát, đo đạc, thu thập tài liệu) và nội nghiệp (tổng hợp, phân tích, tính toán và đề xuất giải pháp).
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lựa chọn 90 hồ chứa có biểu hiện xuống cấp, thấm mạnh, quy mô vừa và nhỏ, thời gian xây dựng đa dạng (>10 năm và <=10 năm), có ảnh hưởng lớn đến dân cư và sản xuất nông nghiệp tại khu vực miền Trung - Tây Nguyên.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng thấm phổ biến và nghiêm trọng: Tất cả các đập khảo sát đều có hiện tượng thấm với mức độ khác nhau. Một số đập như Vũng Sú (Thanh Hóa) có lưu lượng thấm mùa kiệt 0,6 l/s và mùa lũ lên đến 1 l/s; đập Đá Bạc (Hà Tĩnh) lưu lượng thấm lên đến 14 l/s; đập Đồng Suôn (Quảng Bình) lưu lượng thấm khoảng 0,89 l/s.
  2. Thấm vai đập chiếm gần 30% số đập khảo sát: Hiện tượng thấm tại vai đập như đập Bàu Da B (Nghệ An) với lưu lượng thấm 1,234 l/s, đập Nội Tranh Thượng (Hà Tĩnh) xuất hiện dòng thấm mạnh gây sạt trượt mái hạ lưu.
  3. Hư hỏng lớp gia cố mái thượng lưu phổ biến: Có tới 757 hồ chứa có mái đập thượng lưu bị hư hỏng cần sửa chữa, trong đó nhiều đập bị bong tróc lớp gia cố đá lát, sạt lở cục bộ, nứt nẻ sâu ở đỉnh đập.
  4. Nguyên nhân thấm chủ yếu do chất lượng thi công và vật liệu đất đắp kém: Đất đắp có hàm lượng cát, bụi, dăm sạn cao, dung trọng khô thiết kế thấp, lớp đất đầm không đạt độ chặt yêu cầu, xử lý nền kém, khảo sát địa chất chưa đầy đủ, dẫn đến thấm mạnh qua thân và nền đập.
  5. Mực nước vượt thiết kế và biến đổi đột ngột: Mực nước thượng lưu nhiều đập vượt mức thiết kế từ 5 đến 30 cm, gây áp lực đột ngột lên mái đập và áp lực thấm ngược, làm tăng nguy cơ mất ổn định mái thượng lưu.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng thấm qua thân và nền đập đất là nguyên nhân chính gây mất an toàn hồ chứa tại miền Trung - Tây Nguyên, phù hợp với báo cáo của ngành thủy lợi và các nghiên cứu trước đây. Sự đa dạng về mức độ thấm và hư hỏng phản ánh sự khác biệt về chất lượng thi công, vật liệu và điều kiện địa chất từng công trình. Các số liệu lưu lượng thấm đo được cho thấy mức độ thấm có thể tăng gấp 2-3 lần trong mùa lũ so với mùa kiệt, làm gia tăng áp lực lên kết cấu đập.

Việc thấm vai đập tuy ít phổ biến hơn nhưng lại gây ra các hiện tượng sạt trượt cục bộ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến ổn định công trình. Hư hỏng lớp gia cố mái thượng lưu do tác động của con người và điều kiện khí hậu khắc nghiệt làm giảm khả năng bảo vệ đập khỏi xói mòn và sạt lở.

Phân tích nguyên nhân cho thấy việc lựa chọn vật liệu đất đắp không phù hợp, thiếu kiểm soát chất lượng thi công và khảo sát địa chất chưa đầy đủ là những yếu tố then chốt dẫn đến thấm mạnh. Ngoài ra, biến đổi khí hậu và mưa lũ bất thường làm tăng áp lực thủy lực, gây áp lực thấm ngược và làm giảm độ ổn định mái đập.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lưu lượng thấm theo mùa, bảng tổng hợp mức độ hư hỏng và bản đồ phân bố các điểm thấm mạnh để minh họa rõ ràng hơn về hiện trạng và mức độ ảnh hưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường khảo sát địa chất và kiểm soát chất lượng vật liệu đất đắp: Thực hiện khảo sát địa chất chi tiết, đầy đủ để đánh giá chính xác đặc tính cơ lý đất nền và đất đắp. Áp dụng tiêu chuẩn nghiêm ngặt trong lựa chọn và xử lý vật liệu đất nhằm đảm bảo dung trọng và độ chặt đạt yêu cầu thiết kế. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án nâng cấp và xây dựng mới. Chủ thể: các đơn vị thiết kế và thi công.
  2. Áp dụng công nghệ chống thấm phù hợp cho đập đất hiện trạng: Ưu tiên sử dụng các giải pháp khoan phụt vữa xi măng tuần hoàn áp lực cao, tường hào sét và khoan phụt kiểu tia (Jet-Grouting) đã được chứng minh hiệu quả tại khu vực. Thời gian: trong vòng 1-3 năm cho các đập có mức độ thấm nghiêm trọng. Chủ thể: các đơn vị quản lý hồ chứa phối hợp với nhà thầu chuyên ngành.
  3. Nâng cấp và gia cố mái thượng lưu đập: Thực hiện gia cố mái đập bằng vật liệu chống xói mòn như thảm sét địa kỹ thuật hoặc màng HDPE, đồng thời duy trì bảo dưỡng thường xuyên để hạn chế hư hỏng lớp gia cố. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: đơn vị quản lý hồ chứa và địa phương.
  4. Lắp đặt hệ thống quan trắc mực nước và áp lực thấm tự động: Trang bị thiết bị quan trắc hiện đại để theo dõi biến động mực nước và áp lực thấm, từ đó cảnh báo sớm nguy cơ mất an toàn. Thời gian: triển khai trong 2 năm. Chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị vận hành hồ chứa.
  5. Đào tạo nâng cao năng lực quản lý và vận hành hồ chứa: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên môn cho cán bộ quản lý, vận hành hồ chứa nhằm nâng cao nhận thức về an toàn đập và kỹ năng xử lý sự cố. Thời gian: liên tục hàng năm. Chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về thủy lợi và an toàn hồ chứa: Giúp hoạch định chính sách, ưu tiên đầu tư và xây dựng kế hoạch bảo trì, sửa chữa các công trình thủy lợi tại miền Trung - Tây Nguyên.
  2. Các đơn vị thiết kế và thi công công trình thủy lợi: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn vật liệu, công nghệ thi công và giải pháp chống thấm phù hợp, nâng cao chất lượng công trình.
  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy lợi, xây dựng công trình: Là tài liệu tham khảo quan trọng về lý thuyết dòng thấm, ổn định đập đất và các phương pháp tính toán, mô hình hóa thực tế.
  4. Đơn vị quản lý và vận hành hồ chứa: Hỗ trợ trong công tác giám sát, đánh giá hiện trạng công trình, phát hiện sớm các nguy cơ hư hỏng và đề xuất biện pháp xử lý kịp thời nhằm đảm bảo an toàn vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hiện tượng thấm lại phổ biến ở các đập đất vừa và nhỏ miền Trung - Tây Nguyên?
    Hiện tượng thấm phổ biến do chất lượng vật liệu đất đắp không đồng đều, kỹ thuật thi công còn hạn chế, cùng với điều kiện khí hậu khắc nghiệt, mưa lũ thất thường làm tăng áp lực thủy lực. Ngoài ra, nhiều đập được xây dựng lâu năm, thiếu bảo dưỡng thường xuyên dẫn đến hư hỏng lớp chống thấm tự nhiên.

  2. Các phương pháp chống thấm nào được đánh giá hiệu quả nhất cho đập đất hiện nay?
    Phương pháp khoan phụt vữa xi măng tuần hoàn áp lực cao, tường hào sét và khoan phụt kiểu tia (Jet-Grouting) được ưu tiên do khả năng xử lý thấm sâu, hiệu quả kỹ thuật cao và chi phí hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất và quy mô đập tại miền Trung - Tây Nguyên.

  3. Làm thế nào để xác định vị trí và mức độ thấm trong đập đất?
    Thông qua khảo sát thực địa, đo đạc lưu lượng thấm, áp lực thấm và mực nước tại các vị trí khác nhau trên thân và vai đập. Kết hợp với mô hình toán và phần mềm tính toán để xác định đường bão hòa, gradient thấm và các vùng thấm mạnh cần xử lý.

  4. Nguyên nhân chính gây hư hỏng lớp gia cố mái thượng lưu là gì?
    Nguyên nhân bao gồm tác động của con người như lấy trộm vật liệu, vận chuyển gỗ qua đập, thi công kém chất lượng, cùng với điều kiện khí hậu gây sạt lở, bong tróc và thiếu bảo dưỡng thường xuyên.

  5. Việc lắp đặt hệ thống quan trắc có giúp giảm thiểu rủi ro vỡ đập không?
    Có, hệ thống quan trắc mực nước và áp lực thấm tự động giúp theo dõi biến động liên tục, cảnh báo sớm các nguy cơ mất an toàn, từ đó đơn vị quản lý có thể kịp thời xử lý, giảm thiểu rủi ro vỡ đập và thiệt hại về người và tài sản.

Kết luận

  • Hồ chứa nước miền Trung - Tây Nguyên chiếm khoảng 80% số lượng hồ chứa cả nước, chủ yếu là đập đất vừa và nhỏ, có vai trò quan trọng trong phát triển nông nghiệp và sinh hoạt.
  • Hiện tượng thấm qua thân và nền đập là nguyên nhân chính gây hư hỏng và mất an toàn, với lưu lượng thấm đo được lên đến hàng chục lít mỗi giây tại một số đập điển hình.
  • Nguyên nhân thấm chủ yếu do chất lượng vật liệu đất đắp kém, kỹ thuật thi công hạn chế và điều kiện khí hậu khắc nghiệt.
  • Các giải pháp chống thấm hiệu quả bao gồm khoan phụt vữa xi măng áp lực cao, tường hào sét và khoan phụt kiểu tia, đồng thời cần nâng cấp lớp gia cố mái thượng lưu và lắp đặt hệ thống quan trắc hiện đại.
  • Nghiên cứu đề xuất các biện pháp cụ thể nhằm nâng cao an toàn hồ chứa trong vòng 1-3 năm tới, góp phần bảo vệ tài sản và tính mạng người dân khu vực miền Trung - Tây Nguyên.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị thi công cần phối hợp triển khai khảo sát chi tiết, áp dụng công nghệ chống thấm phù hợp và nâng cao năng lực quản lý vận hành hồ chứa để đảm bảo an toàn lâu dài.