Tổng quan nghiên cứu

Sạt lở đất và mất ổn định mái dốc ven hồ chứa thủy lợi là hiểm họa địa kỹ thuật nghiêm trọng tại khu vực miền núi và Tây Nguyên. Theo thống kê từ Ban chỉ đạo Phòng chống thiên tai Trung ương trong giai đoạn 2000-2015, trên cả nước đã ghi nhận hơn 250 đợt lũ quét và sạt lở đất, làm thiệt hại hơn 3.300 tỷ đồng và phá hủy hàng trăm công trình hạ tầng. Dự án hồ chứa nước Đăk Lông Thượng tại huyện Bảo Lâm, tỉnh Lâm Đồng là công trình thủy lợi cấp II trọng điểm với dung tích thiết kế toàn bộ 11,663 triệu mét khối, dung tích hữu ích 10,727 triệu mét khối và diện tích mặt hồ 90 hecta. Công trình đảm nhận vai trò cấp nước tưới cho 3.076 hecta cây công nghiệp như cà phê, chè và cung cấp nước sinh hoạt với định mức 60 lít trên người mỗi ngày cho nhân dân hai xã Lộc Ngãi và Lộc Đức.

Tuy nhiên, sau khi tích nước đạt cao trình mực nước dâng bình thường 904,14 mét, hiện tượng sụt lún và nứt toác mái dốc đã xuất hiện nghiêm trọng dọc tuyến đường ven hồ dài 2.700 mét. Sự cố tập trung tại 4 cụm vị trí bãi khai thác vật liệu đắp đập với độ sâu khối trượt từ 10 đến 15 mét, làm biến dạng mặt đường, chia cắt giao thông và đe dọa trực tiếp đến an toàn vận hành đập chính.

Nghiên cứu được triển khai nhằm mục tiêu làm sáng tỏ cơ chế tương tác giữa áp lực nước lỗ rỗng và hệ số ổn định mái dốc dưới tác động của chế độ mưa lũ Tây Nguyên trong suốt năm 2013. Bằng việc lượng hóa các nguyên nhân kỹ thuật và địa chất thủy văn, công trình cung cấp cơ sở vững chắc để thiết kế các giải pháp công trình xử lý triệt để, đảm bảo an toàn lâu dài cho hồ chứa và ổn định sinh kế vùng hạ du.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng cơ học đất không bão hòa và lý thuyết cân bằng giới hạn mái dốc. Khi đất ở trạng thái chưa bão hòa, môi trường bao gồm 4 pha: hạt đất rắn, nước lỗ rỗng, khí và màng căng bề mặt tiếp giáp khí và nước. Lực hút dính hay còn gọi là áp lực nước lỗ rỗng âm đóng vai trò quyết định đến sức kháng cắt phụ thêm của đất. Đường cong đặc trưng Nước - Đất biểu diễn mối quan hệ phi tuyến giữa độ chứa nước thể tích và lực hút dính, cho thấy khi đất bị ngậm nước hoàn toàn, lực hút dính giảm về không và làm triệt tiêu cường độ chống cắt của khung hạt.

Bài toán dòng thấm không bão hòa được mô tả qua phương trình vi phân cơ bản dựa trên định luật Darcy mở rộng kết hợp gradient thế năng thủy lực tổng cộng. Đồng thời, lý thuyết cân bằng giới hạn theo các phương pháp phân tích thỏi cải tiến như Fellenius, Bishop đơn giản hóa và Morgenstern-Price được vận dụng để xác định mặt trượt nguy hiểm và hệ số an toàn ổn định mái dốc. Khung lý thuyết này cho phép tích hợp đồng thời sự thay đổi của áp lực thủy tĩnh, lực thấm thủy động và trạng thái ứng suất biến dạng của khối đất theo thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập toàn diện từ công tác khảo sát địa hình, trắc dọc, trắc ngang và chuỗi số liệu khí tượng thủy văn đo đạc thực tế tại trạm Bảo Lâm. Hệ thống địa chất công trình được xác lập từ các hố khoan sâu từ 20 đến 35 mét tại khu vực tuyến đập và bãi vật liệu.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 tổ mẫu đất nguyên dạng được lấy bằng phương pháp chọn mẫu có chủ đích tại 4 cụm sạt trượt điển hình ven bờ trái và bờ phải. Các thí nghiệm cơ lý tiêu chuẩn đã xác định các chỉ tiêu dung trọng, góc ma sát trong, lực dính kết đơn vị và hệ số thấm của các lớp đất tàn tích bazan phong hóa.

Về phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn thông qua tổ hợp phần mềm chuyên ngành GeoStudio với hai phân hệ SEEP/W và SLOPE/W. Lý do lựa chọn mô hình số này là khả năng mô phỏng liên hoàn bài toán thấm không dừng qua 1.500 phần tử tam giác và tứ giác, sau đó tự động truyền trường áp lực nước lỗ rỗng theo 13 mốc thời gian thực tế trong năm 2013 sang mô-đun ổn định mái dốc, khắc phục hoàn toàn nhược điểm tính toán tĩnh truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu xác định quy luật biến thiên bất lợi của trường áp lực nước lỗ rỗng dưới tác động của vũ lượng mưa mùa lũ chiếm tới gần 80% tổng lượng mưa cả năm. Vào mùa khô tháng 3/2013, độ hút dính trong đất đạt giá trị cao từ 150 đến 200 kPa. Khi bước vào cao điểm mùa mưa từ tháng 7 đến tháng 9/2013, nước mưa ngấm sâu qua lớp phong hóa bazan dày hơn 15 mét, làm độ hút dính suy giảm về 0 kPa và chuyển hoàn toàn thành áp lực nước lỗ rỗng dương, gây suy giảm trên 35% sức kháng cắt của khối đất.

Thứ hai, hệ số an toàn ổn định của mái dốc biến đổi theo chiều hướng nguy hiểm tại các mốc thời gian quan trắc. Kết quả mô phỏng số chỉ ra rằng trong điều kiện tự nhiên mùa khô, hệ số an toàn duy trì ở mức ổn định từ 1,35 đến 1,48. Tuy nhiên, đến đợt mưa lũ đỉnh điểm ngày 20/9 và 27/9/2013, hệ số an toàn tại cung trượt số 2 và số 4 sụt giảm nghiêm trọng từ 38% đến 42%, chạm ngưỡng nguy cấp từ 0,86 đến 0,94, dẫn đến phá hoại trượt sạt tức thời.

Thứ ba, sự hình thành các cung trượt có mối liên hệ mật thiết với hình thái địa hình khai thác bãi vật liệu và cơ chế thoát nước ngầm. Việc đào bạt bãi vật liệu 14, 78, 76 và 79 tạo nên các vách dốc nhân tạo cao trên 15 mét, kết hợp với các khe tụ thủy tự nhiên tập trung dòng chảy ngầm phía sườn đồi. Thêm vào đó, việc hạ thấp mực nước hồ xuống dưới cao trình 900 mét để phục vụ công tác kỹ thuật đã làm mất đi áp lực thủy tĩnh giữ chân mái, kích hoạt biến dạng trượt sâu với chiều dài vết nứt từ 30 đến 130 mét và độ lún sụt thẳng đứng từ 1,2 đến 1,7 mét cắt qua khu dân cư.

Thảo luận kết quả

Cơ chế trượt lở mái dốc tại hồ Đăk Lông Thượng phản ánh rõ nét bản chất phá hủy cân bằng giới hạn trong địa tầng bazan nhiệt đới ẩm. Đất tàn tích bazan tại khu vực có độ dẻo cao, thành phần á sét nặng, khả năng mao dẫn lớn nhưng độ bền cắt suy giảm rất nhanh khi độ bão hòa nước vượt quá 85%. Sự gia tăng trọng lượng thể tích khối trượt kết hợp cùng áp lực thủy động đẩy ngược từ khe tụ thủy là nguyên nhân trực tiếp thúc đẩy khối trượt hình thành mặt trượt trụ tròn sâu.

Dữ liệu mô phỏng trong luận văn được minh họa trực quan qua biểu đồ biến thiên hệ số an toàn theo 13 thời điểm quan trắc và hệ thống bản đồ đẳng mức áp lực nước lỗ rỗng trong phần mềm SEEP/W. Các mặt cắt tính toán cho thấy vị trí cung trượt nguy hiểm nhất luôn trùng khớp với các vị trí nứt gãy thực tế tại hiện trường. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công trình nghiên cứu tai biến địa chất tại vùng cao nguyên Nam Trung Bộ, đồng thời chứng minh rằng việc đánh giá ổn định công trình ven hồ bắt buộc phải xét đến bài toán thấm phi dừng trong điều kiện đất không bão hòa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân tích nguyên nhân và cơ chế sạt trượt, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật công trình đồng bộ nhằm khôi phục và duy trì ổn định mái dốc ven hồ:

Một là, bạt mái giảm độ dốc và phân tầng cơ giảm tải trọng chủ động. Đơn vị thi công cần tiến hành đào bạt mái dốc từ độ dốc tự nhiên 1:0.75 về mái dốc thiết kế ổn định từ 1:1.50 đến 1:1.75. Bố trí các cơ mái dốc có chiều rộng từ 2,0 đến 3,0 mét tại các cao trình khống chế nhằm giảm hơn 30% tải trọng trượt ở phần đỉnh dốc, hoàn thành trong thời gian 60 ngày.

Hai là, xây dựng hệ thống rãnh đỉnh thoát nước mặt và giếng tiêu thoát nước ngầm sâu. Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi 8 chủ trì lắp đặt tuyến rãnh đỉnh bê tông hình thang khẩu độ 0,6 mét để ngăn dòng chảy tràn từ sườn đồi tự nhiên, kết hợp bố trí hệ thống ống ngầm đục lỗ bọc vải địa kỹ thuật nhằm hạ thấp đường bão hòa nước ngầm ít nhất 3,0 đến 5,0 mét, triển khai trong vòng 90 ngày.

Ba là, thi công tường kè rọ đá kết hợp đê phản áp chân mái dốc. Đơn vị nhà thầu xây dựng tường chắn bằng rọ đá mạ kẽm bọc nhựa PVC cao từ 3,0 đến 4,0 mét tại mép bờ hồ, phối hợp đắp đê đá phản áp ngập nước nhằm tái lập đối trọng giữ ổn định chân cung trượt, nâng hệ số an toàn công trình lên trên mức 1,30 trong thời gian 120 ngày.

Bốn là, gia cố bảo vệ bề mặt bằng thảm thực vật cỏ Vetiver kết hợp vải địa kỹ thuật chống xói mòn. Chủ đầu tư phối hợp với chính quyền địa phương triển khai trồng cỏ Vetiver mật độ dày trên toàn bộ diện tích mái dốc đã xử lý. Hệ thống rễ cỏ ăn sâu từ 2,0 đến 3,0 mét giúp gia tăng 25% lực dính biểu kiến cho tầng đất mặt và ngăn chặn xói mòn bề mặt do mưa lũ trong chu kỳ 180 ngày.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư tư vấn thiết kế, chuyên gia địa kỹ thuật và công trình thủy lợi. Luận văn cung cấp quy trình chuẩn hóa về việc ứng dụng phần tử hữu hạn GeoStudio để tính toán ổn định mái dốc bờ hồ và bãi vật liệu chịu tác động của chế độ khí quyển.

Nhóm thứ hai là các Ban quản lý dự án thủy lợi, đơn vị quản lý khai thác và vận hành hồ chứa nước. Tài liệu giúp nâng cao năng lực nhận diện nguy cơ mất an toàn đập, thiết lập quy trình hạ mực nước hồ an toàn và xử lý khẩn cấp các vị trí nứt trượt ven hồ.

Nhóm thứ ba là các giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên sau đại học chuyên ngành Xây dựng Công trình Thủy, Địa chất Công trình và Thủy văn. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về ứng dụng cơ học đất không bão hòa giải quyết các sự cố công trình thực tế.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước về phòng chống thiên tai và quy hoạch phát triển nông thôn tại các tỉnh miền núi. Số liệu nghiên cứu hỗ trợ hiệu quả công tác phân vùng rủi ro trượt lở đất và xây dựng cẩm nang kỹ thuật phòng tránh tai biến địa chất cục bộ.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân cốt lõi khiến mái dốc hồ Đăk Lông Thượng sạt lở dữ dội trong mùa mưa năm 2013 là gì? Sự cố phát sinh do mưa lớn kéo dài làm nước ngấm sâu vào tầng đất bazan dày từ 10 đến 15 mét, triệt tiêu độ hút dính và làm tăng áp lực nước lỗ rỗng. Đồng thời, việc khai thác bãi vật liệu tạo mái dốc đứng kết hợp khe tụ thủy dồn nước đã làm hệ số an toàn sụt giảm dưới 1,0.

Việc điều tiết hạ thấp mực nước hồ chứa ảnh hưởng như thế nào đến sự ổn định bờ hồ? Khi mực nước hồ rút xuống dưới cao trình 900 mét để bảo trì cống lấy nước, áp lực thủy tĩnh tác dụng giữ chân mái bị suy giảm nhanh chóng. Khối đất bờ hồ vẫn ở trạng thái bão hòa nước nặng nề dẫn đến mất cân bằng phản áp và gây trượt phẳng chân mái dốc.

Tại sao phần mềm GeoStudio được đánh giá là công cụ tối ưu cho bài toán này? Phần mềm GeoStudio cho phép tích hợp trực tiếp mô-đun thấm SEEP/W và mô-đun ổn định SLOPE/W bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Công cụ này mô phỏng chính xác trạng thái thấm không dừng qua 13 mốc thời gian thực tế, phản ánh chân thực biến động của hệ số an toàn mái dốc.

Quy mô của các cung trượt tại khu vực lòng hồ Đăk Lông Thượng được ghi nhận ra sao? Hiện trường ghi nhận 4 vị trí sạt trượt lớn với chiều dài cung trượt từ 30 đến 130 mét, bề rộng khe nứt từ 10 đến 70 centimet. Điển hình tại vị trí số 4, khối trượt nông tạo bậc sụt lún sâu 1,7 mét, làm nứt gãy nhà dân và ảnh hưởng nghiêm trọng đến 2.700 mét đường giao thông.

Giải pháp gia cố nào đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất cho công trình? Giải pháp tối ưu là sự kết hợp giữa bạt mái phân cơ, làm rãnh tiêu ngầm, đắp đê đá phản áp và phủ cỏ Vetiver sinh thái. Phương án phức hợp này giúp nâng hệ số ổn định lên trên 1,30 và tiết kiệm khoảng 35% chi phí đầu tư so với phương án tường chắn bê tông toàn tuyến.

Kết luận

Nghiên cứu về sự cố sạt lở tại hồ chứa nước Đăk Lông Thượng mang lại những đóng góp khoa học và thực tiễn quan trọng:

  • Xác định rõ cơ chế sạt lở do sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng trong đất bazan không bão hòa dưới tác động của mưa lũ tập trung.
  • Lượng hóa chính xác mức độ suy giảm hệ số ổn định từ 1,48 xuống dưới 0,94 tại 4 vị trí xung yếu dọc tuyến đường ven hồ 2.700 mét.
  • Ứng dụng thành công mô hình phần tử hữu hạn GeoStudio để phân tích trường thấm phi tuyến không dừng qua 13 giai đoạn khí tượng thực tế.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình kết hợp thoát nước ngầm sâu, kè rọ đá phản áp và thảm cỏ Vetiver đảm bảo hệ số an toàn vượt mức 1,30.
  • Cung cấp mô hình tham chiếu tin cậy cho công tác quản lý an toàn hồ đập cấp II tại khu vực có cấu trúc địa chất phức tạp ở Tây Nguyên.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã gắn kết chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học đất hiện đại với việc giải quyết sự cố công trình thực tế. Trong lộ trình từ 6 đến 12 tháng tới, các đơn vị quản lý cần tiếp tục mở rộng hệ thống quan trắc tự động mực nước ngầm và độ ẩm đất tại hiện trường để hoàn thiện mô hình dự báo thời gian thực. Các kỹ sư và nhà quản lý hãy tải toàn văn nghiên cứu để áp dụng hiệu quả vào công tác thiết kế và xử lý sự cố công trình thủy lợi!