Luận Văn Thạc Sĩ: Phân Tích Ảnh Hưởng Của Biện Pháp Thi Công Đến Độ Ổn Định Của Đập Đất Iakrel II Gia Lai

• Tác giả: Đặng Ngọc Toàn
• Người hướng dẫn: Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất Iakrel II - Gia Lai
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

I. Phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định đập đất Iakrel II Gia Lai

Phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất Iakrel II tại Gia Lai là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và công trình thủy lợi. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá các yếu tố kỹ thuật và quản lý trong quá trình thi công, từ đó xác định nguyên nhân gây ra sự cố và đề xuất các giải pháp khắc phục. Đập đất là công trình có vai trò quan trọng trong việc điều tiết nước, nhưng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro nếu không được thiết kế và thi công đúng cách. Biện pháp thi công không hợp lý có thể dẫn đến sự cố vỡ đập, gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích địa kỹ thuật và đánh giá rủi ro để đưa ra các khuyến nghị cụ thể nhằm nâng cao an toàn công trình.

1.1. Tổng quan về đập đất và các sự cố thường gặp

Đập đất là công trình được xây dựng từ các vật liệu địa phương như đất, đá, và cát. Các sự cố thường gặp bao gồm thấm nước, xói lở mái dốc, và vỡ đập. Nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố này thường liên quan đến thiết kế đập không phù hợp, vật liệu xây dựng kém chất lượng, và biện pháp thi công không đảm bảo. Ví dụ, việc không tuân thủ quy trình lu lèn đất có thể tạo ra các khe hở, làm tăng nguy cơ thấm nước và gây mất ổn định công trình. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các sự cố cụ thể tại đập Iakrel II, từ đó rút ra bài học kinh nghiệm cho các công trình tương tự.

1.2. Phương pháp phân tích và đánh giá độ ổn định

Để phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất, nghiên cứu sử dụng các phương pháp tính toán thấm và ổn định mái dốc. Các công cụ như phần mềm Geostudio và mô hình phần tử hữu hạn được áp dụng để mô phỏng các điều kiện thực tế. Kết quả phân tích cho thấy, việc thay đổi biện pháp thi công mà không có sự tính toán kỹ lưỡng có thể làm giảm đáng kể hệ số an toàn của công trình. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp kiểm soát chất lượng và quản lý dự án để đảm bảo công trình được thi công đúng theo thiết kế.

II. Ứng dụng thực tiễn và giải pháp khắc phục

Nghiên cứu về đập đất Iakrel II không chỉ dừng lại ở việc phân tích ảnh hưởng của biện pháp thi công, mà còn đưa ra các giải pháp khắc phục cụ thể. Các giải pháp này bao gồm việc cải thiện thiết kế đập, sử dụng vật liệu xây dựng chất lượng cao, và áp dụng các biện pháp thi công tiên tiến. Đặc biệt, nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát chất lượng trong quá trình thi công, từ khâu chuẩn bị vật liệu đến khâu hoàn thiện công trình. Các giải pháp này không chỉ giúp nâng cao độ ổn định của đập Iakrel II, mà còn có thể áp dụng cho các công trình tương tự tại Gia Lai và các khu vực khác.

2.1. Cải thiện thiết kế và vật liệu xây dựng

Một trong những giải pháp quan trọng được đề xuất là cải thiện thiết kế đập và sử dụng vật liệu xây dựng chất lượng cao. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc sử dụng các vật liệu có độ bền cao và khả năng chống thấm tốt có thể làm giảm đáng kể nguy cơ sự cố. Ngoài ra, việc thiết kế các lớp gia cố bổ sung cho mái dốc cũng giúp tăng cường độ ổn định của công trình. Các giải pháp này được áp dụng thành công tại đập Iakrel II, giúp công trình vượt qua các điều kiện khắc nghiệt của môi trường.

2.2. Áp dụng biện pháp thi công tiên tiến

Nghiên cứu cũng đề xuất việc áp dụng các biện pháp thi công tiên tiến, như sử dụng máy móc hiện đại và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thi công. Việc sử dụng các thiết bị lu lèn tự động giúp đảm bảo độ chặt của đất, từ đó giảm thiểu nguy cơ thấm nước. Ngoài ra, việc áp dụng các công nghệ giám sát thời gian thực cũng giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn, từ đó có biện pháp khắc phục kịp thời. Các giải pháp này không chỉ nâng cao an toàn công trình, mà còn giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thi công.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hệ thống công trình thủy lợi đa dạng với hơn 7.000 hồ chứa, tổng dung tích trên 11 tỷ m³, trong đó có 35 đập cao trên 50m và hơn 600 đập cao từ 15m đến 50m. Tuy nhiên, nhiều công trình đập đất, đặc biệt là các đập thủy điện vừa và nhỏ, đã xảy ra sự cố nghiêm trọng, điển hình như vỡ đập thủy điện Iakrel II tại Gia Lai năm 2013. Sự cố này không chỉ đe dọa tính mạng và tài sản của người dân vùng hạ lưu mà còn gây thiệt hại lớn về kinh tế và môi trường. Nguyên nhân chủ yếu được xác định liên quan đến biện pháp thi công chưa hợp lý, dẫn đến mất ổn định đập đất.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng của các biện pháp thi công đến độ ổn định của đập đất Iakrel II, từ đó xác định nguyên nhân gây vỡ đập và đề xuất các giải pháp thi công phù hợp nhằm nâng cao an toàn công trình. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên số liệu khảo sát hiện trường, thí nghiệm cường độ vật liệu, mô phỏng phần tử hữu hạn và phân tích ổn định mái dốc, thấm qua đập trong giai đoạn thi công và vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đập đất Iakrel II tại Gia Lai, với dữ liệu thu thập từ năm 2012 đến 2015.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn biện pháp thi công tối ưu, giảm thiểu rủi ro mất ổn định đập đất, góp phần bảo vệ an toàn hồ chứa và phát triển bền vững các công trình thủy lợi, thủy điện tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết cân bằng giới hạn (General Limit Equilibrium - GLE): Phân tích ổn định mái dốc đập đất thông qua các phương pháp tính hệ số an toàn như Bishop, Janbu, Morgenstern-Price và Spencer. Các phương pháp này giả định mặt trượt và cân bằng lực, mômen để xác định hệ số an toàn chống trượt.

• Lý thuyết thấm trong đất: Áp dụng định luật thấm Darcy và các phương pháp tính toán thấm qua đập đất và nền đập, bao gồm mô hình toán học và phần mềm SEEP/W để mô phỏng dòng thấm, xác định gradient thấm và vị trí đường bão hòa.

• Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) với phần mềm Plaxis: Sử dụng mô hình Mohr-Coulomb để mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo của đất đắp đập, tính toán ứng suất, biến dạng và phân tích ổn định kết cấu đập trong các giai đoạn thi công và vận hành.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số an toàn (FS), gradient thấm (J), góc ma sát trong (φ'), lực dính (c'), áp lực nước lỗ rỗng (u), và mô đun đàn hồi (E).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu khảo sát hiện trường đập Iakrel II, kết quả thí nghiệm cường độ thép, bê tông và các chỉ tiêu cơ lý đất tại hiện trường. Dữ liệu thủy văn, địa chất nền và hồ sơ thiết kế công trình cũng được tổng hợp.

• Phương pháp phân tích:

  • Phân tích ổn định mái dốc bằng các phương pháp cân bằng giới hạn, so sánh hệ số an toàn theo từng phương pháp.
  • Tính toán dòng thấm qua đập và nền đập sử dụng phần mềm SEEP/W, xác định vị trí đường bão hòa và gradient thấm.
  • Mô phỏng ứng suất và biến dạng trong đập và công trình dẫn dòng bằng phần tử hữu hạn Plaxis 2D.
  • Kiểm tra khả năng chịu lực của công trình dẫn dòng trong các trạng thái thi công và vận hành.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2013-2015, bao gồm khảo sát hiện trường, thí nghiệm vật liệu, phân tích mô hình và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Nguyên nhân vỡ đập Iakrel II: Qua phân tích ổn định mái dốc và dòng thấm, hệ số an toàn mái đập tại vị trí đập dâng và công trình dẫn dòng đều giảm mạnh khi mực nước hồ dâng cao đột ngột, với hệ số an toàn nhỏ hơn 1,0 trong một số trường hợp. Gradient thấm trung bình tới hạn tại các bộ phận chống thấm vượt quá giá trị cho phép, gây thấm mạnh và xói mòn nội bộ.

2. Ảnh hưởng biện pháp thi công: Việc thi công lớp gia cố kém chất lượng, đầm nén đất không đồng đều, xử lý tiếp giáp không tốt giữa thân đập và công trình dẫn dòng đã tạo ra các khe hở, làm tăng dòng thấm và áp lực nước lỗ rỗng. Cụ thể, kích thước đá lát và tam bê tông nhỏ hơn thiết kế, số lần đầm đất ít, lớp đất phân lớp yếu tạo thành các vùng đất yếu ngang trong thân đập.

3. Ứng suất và lực tác dụng lên công trình dẫn dòng: Mô phỏng cho thấy áp lực đất và nước tác dụng lên đỉnh và đáy cống dẫn dòng tăng cao khi mực nước hồ đạt 65% chiều cao đập, vượt quá khả năng chịu lực thiết kế, dẫn đến hư hỏng và vỡ cống.

4. So sánh với các sự cố đập khác: Kết quả tương đồng với các nghiên cứu về sự cố đập đất tại Khe Mơ (Hà Tĩnh) và KE 2/20 REC (Hà Tĩnh), đều cho thấy nguyên nhân chủ yếu là do biện pháp thi công và xử lý nền không đảm bảo, dẫn đến thấm mạnh và mất ổn định mái dốc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cố vỡ đập Iakrel II là do biện pháp thi công chưa hợp lý, không tuân thủ quy trình thiết kế, dẫn đến chất lượng lớp gia cố và đầm nén đất không đạt yêu cầu. Dòng thấm mạnh qua các khe hở và tiếp giáp kém chất lượng làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm hệ số an toàn mái dốc và gây xói mòn nội bộ. Mô hình phần tử hữu hạn và phân tích cân bằng giới hạn cho thấy rõ sự giảm ổn định trong các giai đoạn thi công và vận hành.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này củng cố quan điểm rằng biện pháp thi công và kiểm soát chất lượng vật liệu là yếu tố quyết định đến độ ổn định của đập đất. Việc mô phỏng chi tiết áp lực và ứng suất giúp minh họa rõ ràng các điểm yếu trong kết cấu, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hệ số an toàn theo thời gian, bảng số liệu gradient thấm tại các vị trí khác nhau, và đồ thị ứng suất - biến dạng mô phỏng bằng Plaxis để minh họa sự thay đổi ổn định đập theo các điều kiện thi công và vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường kiểm soát chất lượng thi công: Áp dụng nghiêm ngặt quy trình đầm nén đất, đảm bảo độ chặt đồng đều theo thiết kế, đặc biệt tại các vị trí tiếp giáp giữa thân đập và công trình dẫn dòng. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công, giám sát kỹ thuật. Thời gian: Ngay trong các giai đoạn thi công tiếp theo.

2. Cải tiến biện pháp gia cố mái đập: Sử dụng vật liệu gia cố đạt tiêu chuẩn, kích thước đá lát và tam bê tông đúng thiết kế, tăng cường bảo vệ mái thượng lưu chống xói mòn. Chủ thể thực hiện: Nhà thiết kế và thi công. Thời gian: Trước khi thi công các lớp gia cố tiếp theo.

3. Xử lý thấm và kiểm soát áp lực nước lỗ rỗng: Thiết kế và thi công hệ thống thoát nước hiệu quả, sử dụng các biện pháp chống thấm như lớp màng chống thấm hoặc tường chắn thấm tại các vị trí nhạy cảm. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư và nhà thầu. Thời gian: Trong giai đoạn hoàn thiện đập.

4. Giám sát và đánh giá ổn định định kỳ: Áp dụng các phương pháp đo đạc mực nước, áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng đập để phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý công trình và cơ quan quản lý nhà nước. Thời gian: Liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích ổn định đập đất, giúp cải tiến thiết kế và lựa chọn biện pháp thi công phù hợp.

2. Nhà thầu thi công và giám sát: Hiểu rõ ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ ổn định đập, từ đó nâng cao chất lượng thi công và kiểm soát rủi ro trong quá trình xây dựng.

3. Cơ quan quản lý và vận hành công trình thủy lợi: Áp dụng các khuyến nghị về giám sát và bảo trì để đảm bảo an toàn công trình, giảm thiểu nguy cơ sự cố.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết ổn định mái dốc, dòng thấm và ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích đập đất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao biện pháp thi công ảnh hưởng lớn đến độ ổn định đập đất?
   Biện pháp thi công quyết định chất lượng vật liệu đắp, độ chặt đất và xử lý tiếp giáp, ảnh hưởng trực tiếp đến dòng thấm và áp lực nước lỗ rỗng, từ đó tác động đến hệ số an toàn mái dốc và kết cấu đập.

2. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc nào được sử dụng phổ biến?
   Phổ biến là các phương pháp cân bằng giới hạn như Bishop, Janbu, Morgenstern-Price và Spencer, mỗi phương pháp có giả thiết và cách tính khác nhau, giúp đánh giá hệ số an toàn trong các điều kiện khác nhau.

3. Làm thế nào để kiểm soát dòng thấm qua đập đất?
   Kiểm soát bằng cách thiết kế hệ thống thoát nước hiệu quả, sử dụng lớp chống thấm, xử lý nền đập kỹ thuật và thi công đúng quy trình để tránh tạo khe hở và dòng thấm mạnh.

4. Phần mềm Plaxis được ứng dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Plaxis mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo của đất đắp đập, tính toán ứng suất, biến dạng và phân tích ổn định kết cấu, giúp đánh giá ảnh hưởng của tải trọng và điều kiện thi công đến độ ổn định đập.

5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để tránh sự cố vỡ đập đất?
   Kết hợp kiểm soát chất lượng thi công, xử lý nền và tiếp giáp tốt, thiết kế hệ thống thoát nước hợp lý, giám sát định kỳ và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thi công là các giải pháp hiệu quả nhất.

Kết luận

• Phân tích cho thấy biện pháp thi công không hợp lý là nguyên nhân chính gây mất ổn định và vỡ đập Iakrel II tại Gia Lai.
• Hệ số an toàn mái dốc và gradient thấm vượt ngưỡng cho phép trong các giai đoạn thi công và vận hành, làm tăng nguy cơ sự cố.
• Mô hình phần tử hữu hạn và cân bằng giới hạn cung cấp công cụ hiệu quả để đánh giá và dự báo ổn định đập đất.
• Đề xuất các giải pháp thi công, gia cố và giám sát nhằm nâng cao độ ổn định và an toàn công trình.
• Nghiên cứu mở hướng cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu biện pháp thi công và ứng dụng công nghệ mới trong quản lý đập đất.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các khuyến nghị trong thi công và vận hành đập đất hiện có, đồng thời triển khai nghiên cứu mở rộng cho các công trình tương tự nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả sử dụng.