Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có hơn 6.600 hồ chứa nước với tổng dung tích trữ khoảng 49,88 tỷ m³, trong đó các hồ chứa thủy điện lớn chiếm 39,6 tỷ m³, còn lại là hồ chứa phục vụ tưới tiêu với dung tích 10,28 tỷ m³, đảm bảo tưới cho hơn 800.000 ha đất canh tác. Tỉnh Ninh Thuận, nằm trong vùng Duyên Hải Nam Trung Bộ, có khí hậu khô hạn, lượng mưa trung bình hàng năm chỉ khoảng 700-800 mm, trong khi lượng bốc hơi tiềm năng lên tới 1.800-1.900 mm/năm. Với địa hình đồi núi chiếm hơn 63% diện tích, tỉnh có 21 hồ chứa với tổng dung tích khoảng 194 triệu m³, phục vụ tưới cho khoảng 18.000 ha đất nông nghiệp. Tuy nhiên, diện tích tưới thực tế thấp hơn nhiều so với thiết kế, gây lãng phí tài nguyên nước và ảnh hưởng đến phát triển kinh tế xã hội.

Hồ chứa nước Bà Râu có dung tích 4,64 triệu m³, phục vụ tưới cho 300 ha đất và cung cấp nước cho khu công nghiệp Du Long cùng các hoạt động dân sinh. Do nhu cầu sử dụng nước tăng cao theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2050, việc nâng cao dung tích hữu ích hồ Bà Râu là cấp thiết để đáp ứng đa mục tiêu: tưới tiêu, sinh hoạt, công nghiệp, du lịch và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu tập trung vào các giải pháp kỹ thuật nâng cấp đập đất nhằm tăng dung tích hồ, đảm bảo an toàn kết cấu đập và hiệu quả kinh tế kỹ thuật.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích các vấn đề kỹ thuật khi nâng cao mực nước thiết kế, ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật GEOSTUDIO để giải bài toán thấm và ổn định mái đập, từ đó đề xuất giải pháp nâng cấp phù hợp cho hồ Bà Râu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hồ Bà Râu và các hồ chứa vật liệu địa phương tại tỉnh Ninh Thuận, với dữ liệu thu thập từ năm 2012 đến 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nước, góp phần phát triển kinh tế bền vững và giảm thiểu rủi ro thiên tai tại khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết thấm nước trong đất: Đất được xem là môi trường đa pha gồm thể rắn, thể lỏng và thể khí. Dòng thấm nước trong đất tuân theo định luật Darcy, trong đó vận tốc dòng thấm tỷ lệ với gradient cột nước thủy lực. Đặc biệt, trong đất không bão hòa, dòng thấm còn chịu ảnh hưởng của gradient áp lực khí và độ hút dính, làm thay đổi hệ số thấm và ảnh hưởng đến ổn định công trình.

  • Lý thuyết ổn định mái đập đất: Mất ổn định mái đập thường xảy ra do trượt tịnh tiến, trượt xoay hoặc trượt dòng. Phương pháp phân tích giới hạn và cân bằng giới hạn được sử dụng để đánh giá hệ số an toàn của mái đập. Các phương pháp tính toán phổ biến gồm Fellenius, Bishop, Spencer, Janbu và Morgenstern-Price, trong đó phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để mô hình hóa và tính toán chính xác hơn.

  • Khái niệm chính:

    • Mực nước dâng bình thường (MNDBT): Mực nước vận hành bình thường của hồ chứa.
    • Mực nước lũ thiết kế (MNLTK): Mực nước lũ được thiết kế để đảm bảo an toàn công trình.
    • Dung tích hữu ích: Dung tích nước có thể sử dụng hiệu quả cho các mục đích tưới tiêu, sinh hoạt, công nghiệp.
    • Đập vật liệu địa phương: Đập được xây dựng chủ yếu bằng vật liệu đất sét, cát, đá khai thác tại địa phương.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và địa chất của hồ Bà Râu, các hồ chứa tại Ninh Thuận; số liệu mực nước, dung tích hồ, diện tích tưới thực tế; tài liệu tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), quy chuẩn Việt Nam (QCVN); kết quả khảo sát thực địa và đo đạc dòng thấm tại các công trình.

  • Phương pháp phân tích:

    • Tổng hợp và phân tích các nghiên cứu trước về nâng cấp đập đất.
    • Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật GEOSTUDIO để mô hình hóa dòng thấm và tính toán ổn định mái đập.
    • Phân tích bài toán thấm dựa trên định luật Darcy và các phương pháp phần tử hữu hạn.
    • Tính toán ổn định trượt mái đập bằng các phương pháp cân bằng giới hạn như Bishop, Janbu.
    • So sánh các giải pháp nâng cấp đập đất về mặt kỹ thuật và kinh tế.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập số liệu và khảo sát thực địa trong năm đầu; phân tích lý thuyết và mô hình hóa trong năm thứ hai; đề xuất giải pháp và hoàn thiện luận văn trong năm cuối cùng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tình trạng hồ chứa và nhu cầu nâng cấp: Diện tích tưới thực tế của các hồ chứa tại Ninh Thuận chỉ chiếm khoảng 20-30% so với diện tích thiết kế, ví dụ hồ Bà Râu chỉ tưới được 300 ha trong khi nhu cầu thực tế và quy hoạch đến năm 2050 yêu cầu mở rộng diện tích tưới và cung cấp nước cho khu công nghiệp. Dung tích hữu ích hồ Bà Râu cần được nâng cao để đáp ứng nhu cầu này.

  2. Ảnh hưởng của việc nâng cao mực nước thiết kế: Việc nâng cao mực nước dâng bình thường (MNDBT) làm tăng gradient thấm, áp lực nước lỗ rỗng trong thân đập, dẫn đến giảm sức kháng cắt của đất và tăng nguy cơ mất ổn định trượt mái đập. Kết quả tính toán cho thấy hệ số an toàn trượt có thể giảm từ khoảng 1,5 xuống còn 1,2 khi nâng cao mực nước 0,5 m, đòi hỏi phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để đảm bảo an toàn.

  3. Hiệu quả các giải pháp nâng cấp đập đất:

    • Giải pháp đắp áp trúc thượng lưu giúp tăng ổn định và giảm thấm, phù hợp với đập có mái thượng lưu chưa được bảo vệ hoặc hư hỏng.
    • Giải pháp đắp áp trúc hạ lưu thuận lợi về thi công nhưng kém ổn định hơn do chịu áp lực thấm lớn.
    • Kết hợp đắp áp trúc và làm tường chắn sóng trên đỉnh đập là giải pháp tối ưu khi cần tăng dung tích đáng kể nhưng chi phí và kỹ thuật phức tạp.
    • Giải pháp nạo vét lòng hồ tăng dung tích mà không ảnh hưởng đến kết cấu đập, tuy nhiên chỉ mang tính tạm thời và phù hợp với hồ nhỏ, vừa.

  4. Kết quả mô hình hóa thấm và ổn định: Sử dụng phần mềm GEOSTUDIO cho thấy dòng thấm tăng lên rõ rệt khi nâng cao mực nước, đặc biệt tại các vị trí tiếp giáp giữa đập và tràn. Hệ số an toàn trượt mái đập được xác định qua phương pháp Bishop và Janbu dao động trong khoảng 1,2-1,4 tùy theo giải pháp nâng cấp, đảm bảo an toàn kỹ thuật nếu áp dụng đúng biện pháp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm ổn định khi nâng cao mực nước là do tăng áp lực nước lỗ rỗng và gradient thấm, làm giảm sức kháng cắt của đất đắp. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của việc tăng mực nước hồ chứa đến an toàn đập đất. Việc lựa chọn giải pháp đắp áp trúc thượng lưu được ưu tiên khi điều kiện địa hình và vật liệu cho phép, vì giải pháp này vừa tăng dung tích vừa cải thiện khả năng chống thấm.

So sánh với các hồ chứa khác tại Ninh Thuận như hồ CK7 và Thành Sơn, hồ Bà Râu có quy mô nhỏ hơn nhưng yêu cầu nâng cấp tương tự do nhu cầu sử dụng nước tăng cao. Giải pháp nạo vét lòng hồ đã được áp dụng thành công tại hồ CK7, tuy nhiên không thể đáp ứng lâu dài cho hồ Bà Râu do hạn chế về dung tích và địa hình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hệ số an toàn trượt trước và sau nâng cấp, bảng tổng hợp dung tích hữu ích và diện tích tưới thực tế, cũng như mô hình dòng thấm minh họa sự thay đổi áp lực nước trong đập. Những biểu đồ này giúp trực quan hóa tác động của các giải pháp nâng cấp và hỗ trợ quyết định kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện giải pháp đắp áp trúc thượng lưu cho đập Bà Râu nhằm nâng cao mực nước dâng bình thường khoảng 0,5-1,0 m, tăng dung tích hữu ích hồ từ 4,64 triệu m³ lên khoảng 5,5 triệu m³. Thời gian thi công dự kiến trong 1 mùa khô, do đó cần lập kế hoạch chi tiết để không ảnh hưởng đến vận hành hồ.

  2. Ứng dụng phần mềm GEOSTUDIO trong giám sát và đánh giá ổn định đập định kỳ, đặc biệt sau khi nâng cấp, nhằm phát hiện sớm các hiện tượng thấm và trượt, đảm bảo an toàn công trình trong suốt vòng đời khai thác.

  3. Tăng cường công tác bảo trì, nạo vét lòng hồ định kỳ để duy trì dung tích trữ nước, giảm thiểu bồi lắng làm giảm hiệu quả sử dụng hồ. Khuyến nghị thực hiện nạo vét mỗi 5-7 năm tùy theo tốc độ bồi lắng thực tế.

  4. Xây dựng hệ thống cảnh báo và quản lý nước thông minh kết hợp với các giải pháp kỹ thuật nâng cấp đập, nhằm điều tiết dòng chảy hiệu quả, đáp ứng đa mục tiêu sử dụng nước và giảm thiểu rủi ro thiên tai.

  5. Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh Ninh Thuận phối hợp với các đơn vị tư vấn xây dựng thủy lợi, các cơ quan quản lý tài nguyên nước và địa phương liên quan. Thời gian triển khai các giải pháp nâng cấp và bảo trì trong giai đoạn 2024-2030, phù hợp với quy hoạch phát triển kinh tế xã hội tỉnh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và kỹ sư thủy lợi: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn giải pháp nâng cấp đập đất, áp dụng phần mềm địa kỹ thuật trong tính toán thấm và ổn định, giúp nâng cao chất lượng thiết kế công trình thủy lợi.

  2. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và xây dựng: Thông tin về tình trạng hồ chứa, nhu cầu nâng cấp và các giải pháp kỹ thuật giúp hoạch định chính sách, kế hoạch đầu tư và quản lý khai thác hồ chứa hiệu quả.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng thủy lợi, kỹ thuật công trình: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết thấm, ổn định mái đập đất, phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm GEOSTUDIO trong nghiên cứu công trình thủy lợi.

  4. Địa phương và cộng đồng dân cư vùng hạ du: Hiểu rõ về vai trò của hồ chứa nước, các giải pháp nâng cấp nhằm đảm bảo an toàn, cung cấp nước ổn định phục vụ sản xuất nông nghiệp, sinh hoạt và phát triển kinh tế xã hội.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nâng cao dung tích hữu ích của hồ chứa nước?
    Nâng cao dung tích hữu ích giúp đáp ứng nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng do phát triển kinh tế xã hội, đồng thời cải thiện khả năng điều tiết lũ, giảm thiểu thiệt hại thiên tai và bảo vệ môi trường.

  2. Giải pháp đắp áp trúc thượng lưu có ưu điểm gì so với các giải pháp khác?
    Giải pháp này tăng ổn định đập bằng cách mở rộng mặt cắt phía thượng lưu, giảm thấm nước và áp lực nước lỗ rỗng, đồng thời thi công nhanh trong mùa khô, ít ảnh hưởng đến vận hành hồ.

  3. Phần mềm GEOSTUDIO được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    GEOSTUDIO mô hình hóa dòng thấm và tính toán ổn định mái đập bằng phương pháp phần tử hữu hạn, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của việc nâng cao mực nước đến an toàn công trình.

  4. Nạo vét lòng hồ có phải là giải pháp lâu dài?
    Nạo vét giúp tăng dung tích hồ tạm thời, phù hợp với hồ nhỏ và vừa, nhưng không giải quyết triệt để các vấn đề kỹ thuật của đập, do đó cần kết hợp với các giải pháp nâng cấp đập để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

  5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi nâng cao mực nước hồ chứa?
    Cần thực hiện tính toán thấm và ổn định mái đập kỹ lưỡng, lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, giám sát thường xuyên bằng công nghệ hiện đại và bảo trì định kỳ để phát hiện và xử lý kịp thời các nguy cơ mất ổn định.

Kết luận

  • Hồ chứa nước Bà Râu có dung tích 4,64 triệu m³, phục vụ tưới cho 300 ha và các nhu cầu dân sinh, công nghiệp, cần nâng cao dung tích để đáp ứng quy hoạch phát triển đến năm 2050.
  • Việc nâng cao mực nước dâng bình thường làm tăng áp lực thấm và giảm hệ số an toàn trượt mái đập, đòi hỏi giải pháp kỹ thuật nâng cấp phù hợp.
  • Giải pháp đắp áp trúc thượng lưu được đánh giá là hiệu quả nhất về mặt kỹ thuật và kinh tế cho hồ Bà Râu, kết hợp với ứng dụng phần mềm GEOSTUDIO trong tính toán và giám sát.
  • Nạo vét lòng hồ và làm tường chắn sóng là các giải pháp bổ trợ, giúp duy trì dung tích và ổn định công trình trong dài hạn.
  • Khuyến nghị triển khai các giải pháp nâng cấp trong giai đoạn 2024-2030, đồng thời tăng cường quản lý, bảo trì và giám sát để đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng hồ chứa.

Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà thiết kế, quản lý và nghiên cứu trong lĩnh vực thủy lợi, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác nguồn nước và phát triển bền vững vùng khô hạn Nam Trung Bộ. Đề nghị các cơ quan liên quan phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và chính sách phù hợp nhằm phát huy tối đa tiềm năng hồ chứa nước Bà Râu.