Ths. Hoàng Đức Thuật; Tập thể Trung tâm Thủy điện – Viện Năng Lượng
Sự cố xói, sạt lở mái dốc bờ sông thường xuyên sảy ra ở tất cả các dòng sông nói chung và không loại trừ bờ sông hạ lưu sau các nhà máy thủy điện. Ở hạ lưu nhà máy thủy điện, xói lở có thể bồi lấp dòng chảy, phá vỡ công trình tiêu năng, xói đường giao thông, làm mất tính tính chỉnh thể, mỹ quan của công trình. Thực hiện nhiệm vụ cấp Bộ Công Thương 2019-2020: “Nghiên cứu nguyên nhân gây xói lở hạ lưu và đề xuất lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp trong thiết kế, quản lý khai thác của một số công trình thủy điện lớn”; trên cơ sở điều tra khảo sát và đánh giá hiện trạng bờ sông hạ lưu sau các đợt tháo lũ gần đây ở một số nhà máy thủy điện lớn khu vực Miền bắc; bài báo phân tích một vài nguyên nhân gây nên hiện tượng xói, sạt trượt bờ sông để có thể đề xuất các giải pháp gia cố phù hợp.
1. Đặt vấn đề
Thủy điện có vai trò rất quan trọng cung cấp điện năng phục vụ phát triển kinh tế – xã hội và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng trong điều kiện nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Tính đến năm 2018 cả nước đã đưa vào khai thác 385 dự án thủy điện với tổng công suất lắp đặt 18.564MW, chiếm tỷ trọng khoảng 40% về công suất lắp đặt và khoảng 42,87% về điện năng trong hệ thống điện. Ngoài vai trò cung cấp điện năng, các hồ chứa còn có vai trò điều tiết nước, hồ thủy điện chỉ có 268/7.000 hồ chứa, nhưng chiếm khoảng 86% tổng dung tích các hồ chứa (56/65 tỷ m3 nước). Đây là nguồn dự trữ nước quan trọng, bảm đảm an ninh nguồn nước, chủ động cấp nước về mùa khô và cắt giảm lũ cho vùng hạ du mùa mưa bão, hiện tổng dung tích phòng lũ của các hồ thủy điện khoảng 10 tỷ m3.
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, thiên tai lũ lụt ngày càng khắc nghiệt. Sự cố sạt trượt mái dốc, bờ sông và bờ biển thường xuyên sảy ra ở tất cả các dòng sông và cửa sông ven biển. Sạt lở bờ sông là một qui luật tự nhiên nhưng gây thiệt hại nặng nề cho các hoạt động dân sinh kinh tế vùng ven sông, có thể làm mất đất nông nghiệp, xói trôi nhà cửa, thậm chí có nguy cơ gây ngập lụt cả một vùng rộng lớn. Hàng năm để đối phó với hiện tượng sạt lở đã phải đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để xây dựng các công trình bảo vệ bờ sông trên khắp cả nước.
Ở một số nhà máy thủy điện, trong những năm qua tuy vận hành tháo lũ mới ở mức lưu lượng thấp hơn thiết kế khoảng 30-40%, nhưng ở hạ lưu đã sảy ra những hư hỏng cần phải sửa chữa. Hạ lưu nhà máy thủy điện Thác Bà tuy có bể tiêu năng nhưng không đủ chiều dài, mũi phóng của khoảng giữa lại phóng đúng vào sân sau nên chế độ tiêu năng hết sức phức tạp; mùa lũ năm 1971 trong lúc thi công và xả lưu lượng qua tràn năm 1990 đã gây hư hại cho phía sau sân sau, năm 2000 đã phải tiến hành sửa chữa. Hạ lưu thủy điện Hoà Bình, nối tiếp hạ lưu có dạng dốc nước với mũi phun, hố xói không được đào trước, vận hành tháo lũ các năm trước 2000 với lưu lượng xả tối đa khoảng 11.000 m3/s, hạ lưu đã sảy ra sạt lở vùng chân đập và bờ sông bên phải, sau đó vùng chân đập đã được xây dựng kè hướng dòng, gia cố chân đập và kè bảo vệ bờ sông. Trong quá trình thi công ở nhà máy thủy điện Ialy đã bị sạt lở phần chân khay cuối tràn do nền bị xói. Mùa lũ năm 2017, ở hạlưu công trình thủy điện Lai Châu đã sảy ra sạt trượt vùng gia cố kênh hạ lưu bờ trái, khu gia cố đá đổ bờ phải, hai bên chân mố cầu Nậm Nàn. Ở hạ lưu thủy điện Bản Chát, xả lũ năm 2013, với lưu lượng qua đập tràn xấp xỉ 3500m3/s, quá trình xả lũ dòng phun xối trực tiếp vào bên trái hố tiêu năng, tạo thành một khu vực rộng lớn chịu ảnh hưởng bởi bụi nước, làm cho mái đào khu vực hạ lưu bị ẩm ướt liên, một số khu vực chưa kịp gia cố mái đã bị sạt. Xói lở hạ lưu công trình thủy điện Trung Sơn mùa lũ năm 2018, tại khu vực vai phải mái đào hố xói đập tràn từ cao độ 95m lên trên bị sạt trượt vào thời điểm mưa to và lũ lớn. Ở hạ lưu nhà máy thủy điện Tuyên Quang, đợt xả lũ đợt 2 vào 9/2015, với lưu lượng xả lớn nhất là 1868 m3/s đã làm xói trôi chân khay bờ phải, khoét sâu vào mái gia cố với chiều dài khoảng 54.00m.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến xói, sạt lở bờ sông hạ lưu
Việc nghiên cứu xác định nguyên nhân hư hỏng, sạt lở bờ sông và các công trình bảo vệ bờ là khó khăn và phức tạp gây ra bởi các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, dòng chảy, biến động hình thái địa hình bờ sông, các hoạt động kinh tế, khai thác công trình… Các nghiên cứu cho thấy quá trình xói lở có thể chịu tác động của các nhóm yếu tố sau:
a) Ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, hình thái lòng sông hạ lưu:
Địa hình bờ sông hạ lưu các công trình thủy điện thường có mái dốc khá lớn trong khoảng 20÷450, thậm chí có thể lớn hơn, lòng sông thường có tuyến cong. Địa chất hai bờ hạ lưu thường là lớp đất đá phong hóa, phía trên có lớp phủ tàn tích, với độ dốc cao tạo ra sườn trọng lực là đất và nếu có tác động mạnh của dòng nước mặt, đặc biệt là khi gặp những trận lũ lớn, mưa kéo dài dễ gây sạt trượt tầng phủ; lòng sông thường có lớp aluvi cuội, sỏi dày có thể tới hàng chục m. Các hoạt động của các hệ thống đứt gãy kiến tạo trong khu vực cũng góp phần gây sạt trượt bờ sông. Với điều kiện tự nhiên như vậy, mái dốc, bờ sông có thể sạt trượt ngay cả khi không có tác động của con người.
b) Ảnh hưởng trong quá trình thi công xây dựng công trình:
Bố trí tổng thể mặt bằng công trình, đặc biệt ở tuyến đập có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xói lở lòng và bờ sông. Việc xây dựng công trình làm thay đổi địa hình, hình thái dòng chảy; dòng chảy chỉ có thể đạt trạng thái bình thường như dòng sông thiên nhiên sau một khoảng cách nhất định, có thể tới vài km. Bố trí mặt bằng tốt là tạo chế độ thủy lực thuận dòng tự nhiên, ít tác động bất lợi nhất tới hạ lưu. Ngược lại nếu bố trí không tốt như hướng tuyến công trình xả đi vào bờ, mũi hất dòng phun quá cao, kích thước bộ phận tiêu năng không đủ; các bố trí như vậy có thể tạo dòng quẩn xoáy hạ lưu, dòng chảy tác động trực tiếp vào bờ, dòng phun mang bụi nước làm ẩm ướt mái dốc, chúng có thể tác động làm xói và sạt lở.
c) Ảnh hưởng trong quá trình vận hành công trình tháo lũ:
Chế độ thủy lực hạ lưu của các công trình xả cột nước cao là yếu tố bất lợi nhất với ổn định lòng sông và hai bờ. Dòng chảy có vận tốc cao có thể đạt 20÷30m/s và mạch động lớn, sóng cao tới hàng chục m, dòng chảy quẩn xoáy, mức nước hạ lưu thay đổi nhanh có thể đến hàng chục mét trong mỗi đợt tháo lũ kéo dài vài ngày, dòng chảy xói lòng sông do thiếu hụt bùn cát. Các tác động nêu trên với mức độ lớn và không ổn định đã góp phần chủ yếu vào xói lòng sông, sạt lở bờ.
d) Việc lựa chọn các giải pháp gia cố bảo vệ bờ chưa phù hợp, chưa xét được đầy đủ các yếu tố tác động cũng là một trong những nguyên nhân hư hòng, sạt lở bờ.
Chế độ thủy lực hạ lưu thường rất phức tạp, việc tính toán theo lý thuyết gặp khó khăn, thông thường thông qua thí nghiệm mô hình thủy lực để cung cấp số liệu cho tính toán thiết kế; nhưng các thí nghiệm vẫn có những hạn chế do tỉ lệ mô hình. Ở một số công trình gia cố, chọn kích thước đá hộc không đủ lớn, bê tông chưa đủ chiều day; chưa tính hết các tác động của dòng chảy sau tràn có vận tốc, mạch động lớn tác động trực tiếp vật liệu gia cố
e) Các yếu tố khác:
quá trình nghiên cứu, thiết kế và xây dựng chưa thực sự quan tâm đến bảo vệ phòng chống xói, sạt lở bờ hạ lưu; chưa có sự phân định rạch ròi phạm vi trách nhiệm của chủ đầu tư và các cơ quan quản lý nhà nước khác ở hạ lưu. Các hoạt động dân sinh khu vực hạ lưu cũng góp phân tạo nguy cơ sạt lở bờ như chặt phá rừng, khai thác công trình giao thông, thủy lợi…
3. Đánh giá nguyên nhân xói, sạt lở bờ sông hạ lưu ở một số công trình
a) Xói sạt, lở hạ lưu nhà máy thủy điện Lai Châu
Mùa lũ năm 2017, lưu lượng lớn nhất xả về hạ lưu là Qxả = 9.071,0m3/s; hạ lưu nhà máy thủy điện xuất hiện sạt trượt, nứt ở mái gia cố bờ trái gia cố bằng đá hỗn hợp tận dụng từ đào hố móng, sạt trượt mái gia cố đá đổ bờ phải từ cao trình 217m xuống cao trình 208m, hai bên cầu Nậm Nàn (hình 1).
Hình 1. Hiện trạng vết nứt bờ trái, xói lở hàm ếch
Hình 2. Mặt cắt địa chất điển hình khu vực gia cố hạ lưu bên bờ trái
Hình 3. Mặt cắt địa chất điển hình khu vực gia cố hạ lưu bên bờ phải
Đánh giá nguyên nhân xói lở:
– Sự xuất hiện các vết nứt là do các yếu tố về địa hình khu vực bờ sông có độ dốc lớn 30 ÷ 450( hình 2,3) nền địa chất yếu với lớp đất phong hóa dễ sạt lở khi gặp mưa lớn, sóng cao và mức nước hạ lưu thay đổi lớn làm bảo hòa lớp đất, giảm khả năng chống trượt của khối đất, mức nước hạ lưu giao động khoảng 15m/tháng; sóng và vận tốc dòng chảy kết hợp gây xói phần lòng sông và chân mái gia cố.
– Xói lở, sạt trượt mái gia cố lớp đất đá đắp bờ trái ở 3 vị trí từ cao độ 230m trở xuống, phần gia cố bằng đá nổ mìn tận dụng từ hố móng và mặt ngoài lát đá D=0.3-0.5m dày trung bình 1.5m, với lưu lượng xả lũ lớn nhất 9000m3/s, kết quả đo vận tốc dòng chảy trong khoảng 4m/s, nếu tính đến yếu tố mạch động thì vận tốc lớn nhất có thể đạt 7÷8m/s, sóng leo có chiều cao tới 5m cùng với dòng chảy quẩn ngược, vật liệu gia cố bằng các viên đá hộc 0,3 ÷0,5m, hoàn toàn có khả năng bị xói trôi phần chân mái, tạo hàm ếch.
– Xói phạm vi hai bên chân mố cầu Nậm Nàn là do tác động của việc dòng chảy lệch, sóng và vận tốc còn lớn gây ra xói lớp đât bị phong hóa và lớp đắp đá tận dụng.
– Sạt lở khu vực gia cố đá đổ bờ phải, gia cố mái phun vẩy bê tông, xuất hiện cung trượt với độ mở khe nứt khoảng 5,0cm, tính toán ổn định mái dốc ở trạng thái tự nhiên, mái dốc có hệ số ổn định tính toán K=1.17, mái ổn định; ở trạng thái đất bão hòa, hệ số ổn định K=0.99 (<1), mái dốc trong trạng thái mất ổn định.
b) Xói, sạt lở hạ lưu nhà máy thủy điện Bản Chát
Xả lũ năm 2013, lưu lượng xả lớn nhất đã tháo qua đập tràn năm 2013 đạt xấp xỉ 3500m3/s, hạ lưu đã xảy ra một số sạt lở (hình 4).
Hình 4. Xói lở và kết cấu gia cố mái đào bên trái hố xói hạ lưu thủy điện Bản Chát
Nguyên nhân xói lở bờ sông và bê tông gia cố mái hạ lưu:
– Tuyến bố trí công trình có lòng sông hẹp, độ dốc bờ sông lớn; mái dốc hố xói và bờ sông hạ lưu chủ yếu trong đới phong hóa nứt nẻ, khi gặp mưa lớn, lớp sương mù của dòng phun làm ẩm ướt bờ sông, mức nước hạ lưu thay đổi lớn cùng với sóng làm bảo hòa khối đất bờ sông dễ bị sạt trượt,
– Bố trí nhà máy và đập tràn rất gần nhau, đỉnh mũi phun ở cao trình quá cao so với mức nước hạ lưu; chiều rộng hố xói chưa đủ rộng. Sóng xiên sau khi ra khỏi mặt tràn dòng phun khuyếch tán không đều, một phần xả trực tiếp vào bờ trái hố xói. Các tấm bê tông gia cố mái hố xói với nhiệm vụ chống xói, được thiết kế với vận tốc, áp suất, mạch động theo số liệu thí nghiệm, không thiết kế chịu lực với trường hợp khi dòng phun rơi trực tiếp vào.
– Dòng chảy với lưu tốc rất lớn (>30m/s) cùng với mạch động sau khi ra khỏi mũi phun, loe tạt dội trực tiếp vào mái gia cố bê tông bờ trái không có lớp nước đệm; với năng lượng rất lớn, liên tục thay đổi dẫn đến xói rửa và làm vỡ các tấm bê tông, xói thêm vào nền đá nứt nẻ. Một số vị trí khác do giá trị tải trọng tác động lớn và thay đổi liên tục, mạch động làm cho tấm bê tông bị rung động, nứt vỡ một số vị trí, nền đá nứt nẻ bị xói lở, tấm bê tông chuyển vị không đều, phát sinh ứng suất kéo lớn, dẫn đến bị phá vỡ hoàn toàn.
c) Xói, sạt lở hạ lưu nhà máy thủy điện Trung Sơn
Xả lũ năm 2018 đã xảy ra sạt trượt lớn tại bờ phải hố tiêu năng, điểm sạt trượt cách đập khoảng 50m từ cao độ 95m lên trên vào thời điểm mưa to và lũ lớn; chân tấm bê tông gia cố bờ phải kéo dài từ hạ lưu đập về phía hạ lưu khoảng 250m đã vị xói lở mạnh, tạo nên hiện tượng hổng chân.
Nguyên nhân sạt trượt và hư hỏng bê tông gia cố hạ lưu:
Hình 5. Hiện trạng sạt lở ở hạ lưu bờ phải và sự hư hỏng tại bể tiêu năng
– Địa hình bờ sông hạ lưu bên phải có độ dốc rất lớn; địa chất đá phiến, thế nằm bất lợi cắm về phía hạ lưu, khi đào dỡ tải có hiện tượng nổ đá dẫn tới chỉ tiêu suy giảm so với chỉ tiêu tính toán trong thiết kế. Ngoài ra khảo sát thực địa cũng cho thấy khu vực sạt lở xuất hiện khe nứt bậc IV, đây là khe nứt lớn không được phát hiện trong quá trình khảo sát thiết kế,
– Đá gốc trong khu vực là đá phiến có thế nằm 65-700 – 55-600 cắm ra phía ngoài sông và xuôi về hạ lưu. Đá bị ép phiến mạnh, vì thế khi đào hố xói bóc đi lớp đất đá chiều dày 15-25m đã gây ra quá trình giải phóng ứng suất do dỡ tải làm tách lớp và suy giảm mạnh cường độ của đá so với chỉ tiêu thu được trong quá trình khảo sát,
– Mưa cường độ lớn và kéo dài liên tục, hồ phải xả lưu lượng 3830m3/s trong các ngày 28, 29, 30 và 31/8/2018. Mưa và mức nước hồ dâng cao kéo theo mực nước ngầm tăng cao, mức nước hạ lưu cao làm đá nền bị bão hòa nước kéo theo các chỉ tiêu cơ lý đá nền vai phải thay đổi theo hướng bất lợi cho sự ổn định của mái tự nhiên, các chỉ tiêu cơ lý khối đá và mặt lớp giảm,
– Bố trí tuyến tràn trên đoạn sông cong, dòng chảy xả thẳng vào mái hố móng bờ phải, mũi phóng bố trí tương đối cao, dòng chảy khi khuếch tán qua mũi phóng đã tạo ra bụi nước làm bão hòa lớp đất đá mái đào vai phải hố xói đập tràn, làm giảm chỉ tiêu cơ lý của nền,
– Khu vực sạt trượt lại không được thiết kế neo giữ nên đã dẫn tới sạt trượt vai phải. Sự sạt lở bờ phải đã ảnh hưởng đến việc vận hành an toàn hố xói đập tràn và đường vận hành vào cơ +160m,
– Về thủy lực hạ lưu có vận tốc và mạch động vận tốc, sóng khu vực bờ phải khá lớn, vận tốc đạt đến 3-4m/s, cùng với tác động của mạch động vận tốc khi đó vận tốc tức thời lớn nhất có thể đạt 12-15m/s; biên độ sóng leo 7-8 m; các yếu tố này tác động không ổn định có thể kéo trôi và làm sạt lở bờ sông, mái gia cố.
d) Xói lở hạ lưu nhà máy thủy điện Tuyên Quang
Xả lũ đợt 2 vào 9/2015, với lưu lượng xả lớn nhất là 1868 m3/s đã làm xói trôi chân khay bờ phải, khoét sâu vào mái gia cố với chiều dài khoảng 54.00m(hình 6).
Nguyên nhân xói lở:
– Địa hình bờ sông hạ lưu bên phải có độ dốc lớn, địa chất đất đá phong hóa, mưa kéo dài và dòng thấm từ trên mái gia cố làm bảo hòa vật liệu đát đá bờ sông, xói ngầm làm rửa trôi đất đá hỗn hợp tạo mái. Khi có tác động của dòng chảy của quá trình xả tràn đã làm sập khối đắp và gây nên sự cố hư hỏng;
– Vật liệu lòng sông là cát cuội lòng sông là lớp cát cuội lẫn bùn sét kích thước 1–20mm, dày đến 4m có nơi dày tới 10m. Dù vận tốc dòng chảy không lớn, nhưng với v=2÷3m/s cùng với mạch động và sóng, các vật liệu lòng sông và đá gia cố có D<0,5m hoàn toàn có thể bị xói trôi.
Hình 6. Hiện trạng xói lở hạ lưu công trình thủy điện Tuyên Quang
4. Kết luận
Nghiên cứu nguyên nhân xói lở và các giải pháp phòng chống sạt lở bờ sông luôn có tính thời sự và được quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Quá trình xói, bồi, biến hình lòng dẫn, sạt lở bờ mái sông, bờ biển trong các điều kiện tự nhiên và có tác động của con người là phức tạp.
Các yếu tố điều kiện tự nhiên địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn và chế độ thủy lực hạ lưu với dòng chảy có vận tốc và mạch động lớn, sóng cao, dòng chảy quẩn xoáy, mức nước hạ lưu thay đổi nhanh; các tác động với mức độ lớn và không ổn định đã góp phần chủ yếu vào xói lòng sông, sạt lở bờ ở hạ lưu các nhà máy thủy điện. Bên cạnh đó, lựa chọn các giải pháp gia cố bảo vệ bờ chưa phù hợp, kích thước vật liệu gia cố chưa đủ lớn, chưa xét được đầy đủ các yếu tố tác động cũng là một trong những nguyên nhân hư hòng phần gia cố.
Quá trình nghiên cứu các giải pháp bảo vệ bờ sông đã được thực hiện liên tục trong hàng trăm năm qua. Nhiều giải pháp công nghệ bảo vệ bờ sông chống xói lở đã được đưa ra và đạt được những hiệu quả nhất định, nhưng chưa có giải pháp nào có thể áp dụng chung cho tất cả các công trình. Nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp công nghệ mới, cải tiến giải pháp công nghệ cũ nhằm nâng cao hơn nữa công tác bảo vệ bờ sông chống sạt lở, thân thiện với môi trường vẫn đang được tiếp tục.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn văn Cung, Nguyễn Xuân Đặng, Ngô Trí Viềng (1977), Công trình tháo lũ trong đầu mối hệ thống thuỷ lợi, NXB-KHKT- Hà Nội.
[2]. P.G. Kixêlep, Sổ tay tính toán thủy lực (1984), NXB Nông nghiệp Hà Nội.
[3]. Thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ. Trường Đại học Thủy lợi; 2010.
[4]. Viện năng lượng – Báo cáo kết quả thí nghiệm MHTL công trình Thủy điện Hòa Bình, Tuyên Quang, Sơn La, Huội Quảng, Lai Châu, Trung Sơn, Bản Chát….
[5]. Viện Khoa học Thuỷ lợi, Báo cáo kết quả thí nghiệm MHTL công trình Thủy điện Sông Tranh, Cửa Đạt, Fleikrông, Bản Chát….
[6]. Sổ tay tính toán thủy lực công trình xả (1988). NXB Năng lượng Matxcơva.
