Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện có gần 7.000 hồ chứa thủy lợi và thủy điện đang hoạt động, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt là nông nghiệp và ổn định đời sống nhân dân. Tuy nhiên, các công trình đập đất, vốn chiếm đa số trong hệ thống hồ chứa, đang đối mặt với nhiều vấn đề về thấm nước gây mất an toàn và giảm hiệu quả khai thác. Tình trạng thấm qua đập và nền hồ chứa không chỉ làm mất nước, gây áp lực lên các bộ phận công trình mà còn có thể dẫn đến biến dạng, sụt lún, nghiêng hoặc thậm chí phá hủy công trình.

Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý thấm qua đập và nền hồ chứa Trúc Kinh, Quảng Trị, một công trình được xây dựng từ năm 1992 và đã xuất hiện hiện tượng thấm mạnh, lún nền và hư hỏng kết cấu. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiện trạng thấm, phân tích các giải pháp xử lý thấm phù hợp, tính toán ổn định công trình với các phương án xử lý khác nhau, từ đó đề xuất giải pháp tối ưu đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đập chính hồ Trúc Kinh và nền móng trong điều kiện mực nước dao động, đặc biệt khi mực nước rút nhanh.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao độ bền, tuổi thọ công trình đập đất, giảm thiểu rủi ro sự cố, đồng thời góp phần phát triển bền vững hệ thống thủy lợi và thủy điện tại Việt Nam. Các kết quả tính toán và đề xuất giải pháp có thể áp dụng cho nhiều công trình tương tự trong cả nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về thấm và ổn định công trình đất đá, bao gồm:

  • Định luật Darcy về dòng thấm tuyến tính: Mô tả mối quan hệ giữa lưu lượng thấm, hệ số thấm, độ chênh áp và chiều dài đường thấm trong môi trường đất bão hòa.
  • Các phương pháp giải bài toán thấm: Phương pháp giải tích truyền thống, phương pháp hệ số sức kháng, phương pháp tỷ lệ đường thẳng và mô hình phần tử hữu hạn (SEEP/W) để mô phỏng dòng thấm phức tạp trong đập và nền hồ.
  • Phương pháp tính ổn định mái dốc: Phương pháp phân thỏi, phương pháp Bishop, Terzaghi và các phương pháp cân bằng giới hạn khác để đánh giá hệ số an toàn chống trượt và biến dạng của đập khi chịu tác động của dòng thấm và thay đổi mực nước.
  • Công nghệ xử lý thấm: Công nghệ khoan phụt cao áp Jet-Grouting, tường hào Bentonite, tường chống thấm bằng cừ thép, màng địa kỹ thuật HDPE, thảm bê tông chống thấm và các vật liệu mới khác.

Các khái niệm chính bao gồm: dòng thấm có áp và không áp, gradient thủy lực, hệ số thấm, mặt trượt trụ tròn, hệ số an toàn ổn định, tường chống thấm mềm và cứng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát hiện trạng đập Trúc Kinh, các số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc gió), thông số cơ lý đất đá nền và thân đập. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các mặt cắt đại diện của đập và nền hồ để tính toán thấm và ổn định.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng dòng thấm và tính toán ổn định bằng phần mềm địa kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn SEEP/W và các phương pháp mặt trượt truyền thống. Các phương án xử lý thấm được mô phỏng gồm: khoan phụt cao áp Jet-Grouting, tường hào đất-Bentonite, tường nghiêng bằng màng HDPE và sân phủ đất sét.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong vòng một năm, bao gồm thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng tính toán và đánh giá so sánh các giải pháp xử lý thấm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng thấm và ổn định đập Trúc Kinh: Kết quả tính toán cho thấy lưu lượng thấm qua đập ở mực nước cao nhất (MNDBT = +19,70 m) đạt khoảng 0,015 m³/s, với gradient thấm lớn nhất tại chân đập là 0,35. Hệ số ổn định mái hạ lưu khi mực nước rút nhanh xuống +8,80 m giảm từ 1,45 xuống còn 1,10, cho thấy nguy cơ mất ổn định tăng cao khi mực nước thay đổi nhanh.

  2. Hiệu quả xử lý thấm bằng Jet-Grouting: Phương án khoan phụt cao áp Jet-Grouting giảm lưu lượng thấm xuống còn khoảng 0,004 m³/s, giảm 73% so với hiện trạng. Gradient thấm giảm xuống dưới 0,1, hệ số ổn định mái tăng lên 1,55, đảm bảo an toàn khi mực nước rút nhanh.

  3. Hiệu quả xử lý thấm bằng tường hào đất-Bentonite: Giải pháp này giảm lưu lượng thấm còn khoảng 0,005 m³/s, giảm 67%. Gradient thấm và áp lực thấm giảm đáng kể, hệ số ổn định mái đạt 1,50, tương đương với Jet-Grouting nhưng chi phí thấp hơn.

  4. So sánh các giải pháp xử lý thấm: Tường nghiêng bằng màng HDPE và sân phủ đất sét có hiệu quả hạn chế hơn, giảm lưu lượng thấm khoảng 30-40%. Phương án tường hào Bentonite được đánh giá là tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây thấm mạnh là do nền đập có lớp bồi tích dày, đất pha tàn tích và các lớp xen kẹp cát tạo điều kiện cho dòng thấm phát triển. Khi mực nước rút nhanh, áp lực nước giảm đột ngột làm giảm hệ số ổn định mái, tăng nguy cơ trượt và biến dạng.

Kết quả mô phỏng cho thấy công nghệ khoan phụt cao áp Jet-Grouting và tường hào Bentonite đều tạo ra lớp chống thấm hiệu quả, giảm đáng kể lưu lượng và gradient thấm, đồng thời cải thiện hệ số an toàn ổn định mái đập. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với các công trình đập đất có điều kiện địa chất tương tự.

Việc lựa chọn giải pháp tường hào Bentonite được khuyến nghị do chi phí thấp hơn, thi công thuận lợi và hiệu quả lâu dài. Các biểu đồ áp lực thấm, đường bão hòa và hệ số ổn định mái được trình bày chi tiết trong luận văn, minh họa rõ ràng sự cải thiện sau xử lý thấm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thi công tường hào đất-Bentonite tại các vị trí thấm mạnh của đập Trúc Kinh trong vòng 12 tháng tới nhằm giảm lưu lượng thấm ít nhất 60%, đảm bảo hệ số ổn định mái trên 1,5. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý dự án và nhà thầu chuyên ngành.

  2. Áp dụng công nghệ khoan phụt cao áp Jet-Grouting cho các khu vực nền đập có lớp đất yếu xen kẹp cát, nhằm gia cố và chống thấm sâu, nâng cao độ bền công trình. Thời gian thi công dự kiến 6-9 tháng, do đơn vị thi công có kinh nghiệm đảm nhận.

  3. Tăng cường hệ thống quan trắc mực nước và áp lực thấm để theo dõi biến động mực nước và áp lực trong đập, phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định. Thiết lập hệ thống trong 3 tháng, vận hành liên tục bởi Ban Quản lý hồ chứa.

  4. Nâng cao chất lượng thi công và quản lý vận hành thông qua đào tạo kỹ thuật cho cán bộ và công nhân, áp dụng quy trình thi công nghiêm ngặt, kiểm soát chất lượng vật liệu và công nghệ xử lý thấm. Thực hiện liên tục trong quá trình bảo trì và sửa chữa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình thủy lợi, thủy điện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn về xử lý thấm, giúp lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp cho các công trình đập đất tương tự.

  2. Quản lý vận hành hồ chứa nước: Hiểu rõ các nguy cơ thấm và biện pháp xử lý, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý, bảo trì và phòng ngừa sự cố.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Tài liệu tham khảo về lý thuyết thấm, phương pháp tính toán ổn định và ứng dụng công nghệ xử lý thấm hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về thủy lợi và thủy điện: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công, bảo dưỡng công trình đập đất nhằm đảm bảo an toàn và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao thấm qua đập đất lại nguy hiểm?
    Dòng thấm gây mất nước hồ chứa, tạo áp lực lên nền và thân đập, làm biến dạng đất nền, dẫn đến sụt lún, nghiêng hoặc trượt mái đập, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn công trình.

  2. Phương pháp nào hiệu quả nhất để xử lý thấm?
    Công nghệ khoan phụt cao áp Jet-Grouting và tường hào Bentonite được đánh giá cao về hiệu quả giảm lưu lượng thấm và cải thiện ổn định, trong đó tường hào Bentonite có ưu thế về chi phí và thi công.

  3. Làm thế nào để đánh giá ổn định mái đập khi mực nước thay đổi?
    Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp các phương pháp mặt trượt như Bishop để tính toán hệ số an toàn, đặc biệt khi mực nước rút nhanh, giúp dự báo nguy cơ mất ổn định.

  4. Có thể áp dụng các giải pháp này cho các đập khác không?
    Có, các giải pháp xử lý thấm và phương pháp tính toán được thiết kế linh hoạt, có thể điều chỉnh phù hợp với điều kiện địa chất và đặc điểm công trình khác nhau.

  5. Chi phí và thời gian thi công các giải pháp xử lý thấm như thế nào?
    Tường hào Bentonite có chi phí thấp hơn khoảng 30-40% so với Jet-Grouting, thời gian thi công cũng ngắn hơn, thường từ 6-12 tháng tùy quy mô công trình.

Kết luận

  • Đập đất chiếm tỷ lệ lớn trong hệ thống hồ chứa Việt Nam, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi dòng thấm gây mất an toàn và giảm hiệu quả khai thác.
  • Nghiên cứu đã đánh giá hiện trạng thấm và ổn định đập Trúc Kinh, xác định các vị trí thấm mạnh và nguy cơ mất ổn định khi mực nước rút nhanh.
  • Các giải pháp xử lý thấm như Jet-Grouting và tường hào Bentonite đều giảm lưu lượng thấm trên 65%, cải thiện hệ số ổn định mái đập trên 1,5.
  • Tường hào Bentonite được đề xuất là giải pháp tối ưu về kỹ thuật và kinh tế cho đập Trúc Kinh và các công trình tương tự.
  • Khuyến nghị triển khai thi công, tăng cường quan trắc và nâng cao quản lý vận hành để đảm bảo an toàn lâu dài cho công trình.

Tiếp theo, cần tiến hành khảo sát chi tiết hiện trường, lập kế hoạch thi công và giám sát chặt chẽ quá trình xử lý thấm. Các đơn vị quản lý và thi công nên phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình. Để biết thêm chi tiết kỹ thuật và ứng dụng thực tế, quý độc giả và chuyên gia có thể tham khảo toàn văn luận văn.