Tổng quan nghiên cứu

Cụm công trình đầu mối cống, âu thuyền Tắc Giang thuộc hệ thống thủy lợi Tắc Giang - Phủ Lý, tỉnh Hà Nam, được xây dựng nhằm điều tiết nước sông Châu Giang, phục vụ tưới tiêu cho gần 24.000 ha đất canh tác và giao thông thủy cho tàu thuyền tải trọng đến 200 tấn. Công trình khởi công năm 2007, hoàn thành và đưa vào sử dụng cuối năm 2009, bàn giao cho Công ty TNHH MTV Khai thác Công trình thủy lợi Nam Hà Nam quản lý từ tháng 10/2010. Tuy nhiên, sau gần 3 năm vận hành, ngày 01/8/2012, công trình xảy ra sự cố nghiêm trọng với hiện tượng thấm, xói nền và sụt lún tại vị trí tường ngoặt sau bể tiêu năng, gây nghiêng nhà điều hành và đe dọa an toàn đê hữu Hồng.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích nguyên nhân sự cố thấm, xói nền tại cụm công trình đầu mối cống, âu thuyền Tắc Giang và đề xuất các biện pháp khắc phục nhằm khôi phục hoạt động bình thường, đảm bảo an toàn công trình và vùng hạ lưu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào địa bàn xã Chuyên Ngoại (huyện Duy Tiên) và xã Nguyên Lý (huyện Lý Nhân), tỉnh Hà Nam, với dữ liệu khảo sát địa chất, thủy văn, vận hành công trình từ năm 2007 đến 2012. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả quản lý, vận hành công trình thủy lợi đầu mối, giảm thiểu rủi ro sự cố, bảo vệ sản xuất nông nghiệp và an toàn đê điều trong khu vực đồng bằng Bắc Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật xây dựng công trình thủy lợi, đặc biệt là:

  • Lý thuyết ổn định thấm và xói ngầm: Phân tích áp lực thấm, dòng thấm qua nền và vai cống, xác định nguy cơ xói nền và rỗng đất dưới công trình.
  • Mô hình kết cấu công trình cống qua đê: Bao gồm cấu tạo thân cống, tường cánh, bể tiêu năng, âu thuyền và các thiết bị điều tiết nước.
  • Khái niệm về địa chất nền và tính chất vật liệu đất: Đặc điểm lớp đất cát hạt nhỏ, á sét, á cát, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải, thấm nước và ổn định công trình.
  • Quy trình quản lý vận hành và bảo dưỡng công trình thủy lợi: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8418:2010 về quản lý vận hành, duy tu bảo dưỡng cống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khảo sát địa chất (khoan máy, khoan tay, thí nghiệm mẫu đất), số liệu quan trắc mực nước thượng hạ lưu, nhật ký thi công, báo cáo vận hành và hiện trạng công trình.
  • Phương pháp phân tích: Kết hợp điều tra khảo sát thực tế hiện trường, phân tích tài liệu thiết kế, vận hành, sử dụng phần mềm Geostudio 2004 modul Seep/W để mô phỏng dòng thấm và tính toán ổn định thấm cục bộ.
  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2007 (khởi công xây dựng) đến năm 2012 (xảy ra sự cố), tập trung phân tích diễn biến sự cố và nguyên nhân trong giai đoạn vận hành.
  • Phương pháp chuyên gia và phân tích tổng hợp: Tham khảo ý kiến chuyên gia, tổng hợp các nguyên nhân kỹ thuật, địa chất, thi công và quản lý vận hành để đánh giá toàn diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng thấm và xói nền nghiêm trọng: Vào ngày 01/8/2012, phát hiện dòng thấm mạnh tại tường ngoặt sau bể tiêu năng, gây sủi nước đục, xói rỗng nền cống và sụt lún mái đê hạ lưu bên trái. Mực nước chênh lệch thượng hạ lưu lúc sự cố là 2,4 m (thượng lưu +5,0 m, hạ lưu +2,6 m).

  2. Phạm vi rỗng nền và vai cống: Kết quả khoan thăm dò cho thấy vùng rỗng kéo dài từ tường cánh thượng lưu bên phải đến đầu tường cánh hạ lưu bên trái, với chiều sâu rỗng dưới bản đáy cống lên đến 0,5 m, diện tích khoảng 1,9 m². Nhà điều hành bị nghiêng, sụt lún trong phạm vi 9,25 m.

  3. Đặc điểm địa chất nền yếu và thấm mạnh: Lớp đất nền chủ yếu là cát hạt nhỏ, á cát, á sét có hệ số thấm cao (khoảng 5-7 x 10⁻⁵ m/s), kết cấu kém chặt, dễ bị rã rời khi tiếp xúc với dòng nước chảy. Lớp đất đắp vai cống có hệ số thấm thấp (5 x 10⁻⁸ m/s) nhưng phân bố không đồng đều.

  4. Nguyên nhân sự cố đa yếu tố: Bao gồm khảo sát địa chất chưa đầy đủ, thiết kế chưa phù hợp với điều kiện địa chất thực tế, thi công không tuân thủ biện pháp làm khô hố móng (không đóng cừ vây hố móng mà dùng rãnh lộ thiên và máy bơm), thiếu thiết bị quan trắc thấm, quản lý vận hành chưa chặt chẽ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố là dòng thấm mạnh đi qua nền cát hạt nhỏ và vai cống, gây xói rỗng nền, làm mất ổn định công trình. Việc thi công trong mùa lũ, không đóng cừ vây hố móng dẫn đến nền không ổn định, tạo điều kiện cho dòng thấm phát triển. So với các nghiên cứu về sự cố cống qua đê trên hệ thống sông Hồng, tỷ lệ thấm qua nền chiếm khoảng 22,73% các sự cố, tương đồng với hiện tượng tại Tắc Giang.

Phân tích mô phỏng bằng phần mềm Geostudio cho thấy gradien thấm tại mép thân cống hạ lưu bên trái đạt 0,33, vượt ngưỡng an toàn, phù hợp với hiện tượng xói nền quan sát thực tế. Các biện pháp quản lý vận hành chưa chú trọng quan trắc thấm, mực nước và lún làm chậm trễ phát hiện và xử lý sự cố.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố gradien thấm, bản đồ hiện trạng rỗng nền và hình ảnh hiện trường sụt lún để minh họa mức độ nghiêm trọng và phạm vi sự cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thi công xử lý chống thấm bằng công nghệ Jet-grouting: Áp dụng công nghệ khoan phụt vữa xi măng tạo cột xi măng-đất liên tục dưới bản đáy và vai cống để ngăn dòng thấm, tăng độ chặt nền. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng, do đơn vị thi công chuyên nghiệp đảm nhận.

  2. Lắp đặt hệ thống quan trắc thấm, lún và mực nước tự động: Thiết lập 20 điểm quan trắc tại các vị trí trọng yếu để theo dõi diễn biến thấm và biến dạng công trình, giúp phát hiện sớm sự cố. Chủ thể thực hiện là đơn vị quản lý công trình phối hợp với chuyên gia kỹ thuật.

  3. Cải tiến biện pháp quản lý vận hành và bảo dưỡng: Ban hành quy trình vận hành nghiêm ngặt, đào tạo nhân viên vận hành về kiểm tra, bảo dưỡng cửa van, khe nối, thiết bị tiêu năng, đồng thời tăng cường kiểm tra định kỳ và xử lý kịp thời các hư hỏng nhỏ.

  4. Nâng cao chất lượng khảo sát địa chất và thiết kế công trình: Thực hiện khảo sát địa chất chi tiết, tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 8477:2010, cập nhật thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế, đặc biệt về chiều dài cừ chống thấm và biện pháp xử lý nền yếu.

  5. Xây dựng kế hoạch ứng phó sự cố khẩn cấp: Chuẩn bị vật tư, thiết bị và phương án xử lý nhanh các hiện tượng thấm, xói ngầm trong mùa lũ để giảm thiểu thiệt hại, đảm bảo an toàn công trình và vùng hạ lưu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chuyên gia và kỹ sư xây dựng công trình thủy lợi: Nghiên cứu các nguyên nhân sự cố và biện pháp xử lý kỹ thuật, áp dụng vào thiết kế và thi công công trình tương tự.

  2. Cơ quan quản lý đê điều và thủy lợi địa phương: Áp dụng các khuyến nghị quản lý vận hành, quan trắc và bảo dưỡng để nâng cao hiệu quả khai thác công trình.

  3. Nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Học hỏi kinh nghiệm về biện pháp thi công trong điều kiện nền yếu, xử lý sự cố thấm và xói ngầm.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy lợi: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình phân tích và kết quả thực tiễn về sự cố công trình thủy lợi.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây ra sự cố thấm tại cống Tắc Giang là gì?
    Sự cố thấm chủ yếu do dòng thấm mạnh đi qua nền cát hạt nhỏ và vai cống, kết hợp với biện pháp thi công không đóng cừ vây hố móng, nền không ổn định, dẫn đến xói rỗng và sụt lún.

  2. Công nghệ Jet-grouting có ưu điểm gì trong xử lý sự cố thấm?
    Jet-grouting tạo cột xi măng-đất liên tục, tăng độ chặt và chống thấm hiệu quả, thi công được trong điều kiện ngập nước, xử lý sâu dưới bản đáy công trình với chi phí hợp lý.

  3. Tại sao việc quan trắc thấm và lún lại quan trọng trong quản lý công trình?
    Quan trắc giúp phát hiện sớm các dấu hiệu biến dạng, thấm nước, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời, tránh sự cố nghiêm trọng và giảm thiểu thiệt hại.

  4. Các biện pháp khắc phục sự cố thấm tạm thời trong mùa lũ là gì?
    Có thể dùng bao tải cát, rọ đá để lấp hố xói, làm tầng lọc ngược, đắp đập dâng nước để giảm áp lực thấm, đồng thời đóng phai để hạn chế dòng chảy qua vị trí hỏng.

  5. Làm thế nào để nâng cao độ bền và ổn định của cống qua đê trong điều kiện nền yếu?
    Cần khảo sát địa chất kỹ lưỡng, thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế, sử dụng cừ chống thấm đúng chiều dài, áp dụng công nghệ xử lý nền như Jet-grouting, đồng thời quản lý vận hành chặt chẽ.

Kết luận

  • Công trình đầu mối cống, âu thuyền Tắc Giang gặp sự cố thấm, xói nền nghiêm trọng sau gần 3 năm vận hành, gây nguy cơ mất an toàn đê điều và công trình.
  • Nguyên nhân sự cố là do đặc điểm địa chất nền yếu, biện pháp thi công không phù hợp, thiếu thiết bị quan trắc và quản lý vận hành chưa chặt chẽ.
  • Phân tích mô phỏng ổn định thấm cho thấy gradien thấm vượt ngưỡng an toàn tại vị trí hư hỏng, phù hợp với hiện trạng thực tế.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ Jet-grouting, lắp đặt hệ thống quan trắc, cải tiến quản lý vận hành và xây dựng kế hoạch ứng phó sự cố nhằm khắc phục và phòng ngừa sự cố tương tự.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy lợi, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn công trình trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Triển khai các biện pháp xử lý chống thấm theo đề xuất, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc và hoàn thiện quy trình quản lý vận hành để đảm bảo an toàn lâu dài cho công trình và vùng hạ lưu.