Chỉ dẫn Quan trắc và thiết bị quan trắc đập, hồ chứa nước [Bài 3-Đo lưu lượng thấm và rò rỉ]

2.2 Đo thấm và rò rỉ [Bài 3]

Mục đích của đập là trữ nước một cách hiệu quả và an toàn và do đó, khả năng giữ nước của nó là quan trọng hàng đầu. Nước thấm từ hồ chứa là sự chuyển động xen kẽ của nước qua thân đập, nền và vai. Nó khác với rò rỉ, là ở hiện tượng rò rỉ dòng là dòng nước chảy qua các lỗ hoặc vết nứt. Nước thấm và rò rỉ qua đập không được đủ lớn để làm xói mòn vật liệu từ bên trong thân đập. Xói mòn bên trong như vậy có thể gây ra phá hoại hoặc tạo thành các đường/ống rỗng trong các đập đắp, và làm mất độ bền hoặc mật độ vật liệu trong các đập bê tông.

Thấm và rò rỉ qua, xung quanh hoặc bên dưới đập là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tình trạng và mức độ hoạt động liên tục của đập. Mực nước trong hồ chứa là yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng nước đi vào hệ thống thu gom. Bất kỳ sự thay đổi đột ngột nào về lượng nước thấm được thu thập mà không có nguyên nhân rõ ràng, chẳng hạn như sự thay đổi tương ứng của mực nước hồ chứa hoặc lượng mưa lớn gần đây, đều có thể là dấu hiệu của một vấn đề nghiêm trọng. Tương tự, bất cứ khi nào nước thấm trở nên đục (đục) hoặc đổi màu, có lượng cặn tăng lên hoặc thay đổi hoàn toàn về hàm lượng hóa chất, thì một vấn đề thực sự có thể đang phát triển. Sự xuất hiện thấm tại các vị trí mới hoặc không có dự kiến trên mái hạ lưu, hoặc ở khu vực hạ lưu từ một vai đập cũng có thể là dấu hiệu của một vấn đề.

Nhiều loại thiết bị có thể đo độ thấm và độ rò rỉ. Phổ biến nhất của các thiết bị đo này bao gồm loại tràn và máng đo lưu lượng, lưu lượng kế, và bình chứa đã được hiệu chuẩn. Trong trường hợp đặc biệt, có thể yêu cầu các loại thiết bị đo lưu lượng khác như đồng hồ đo dòng theo nguyên lý siêu âm hay laser. Phương pháp khảo sát địa vật lý có thể lập bản đồ hướng dòng chảy trong thân đập vật liệu địa phương, trong nền và vai đâp. Bartholomew và Haverland (1987), Bartholomew và cộng sự (1987), và USBR (2014) đã có trình bày về các thiết bị đo thấm và rò rỉ.

Sự khác biệt về mực nước giữa phía thượng lưu và hạ lưu của đập là nguyên nhân chính gây ra thấm và rò rỉ. Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng thấm và rò rỉ cũng giống như các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực. Lượng thấm hoặc rò rỉ tỷ lệ thuận với độ thấm và áp lực nước.

Hầu hết các yếu tố kiểm soát lượng thấm hoặc rò rỉ không thay đổi trong suốt vòng đời của công trình. Bởi vì mức độ hồ chứa là ảnh hưởng chính, bất kỳ sự thay đổi nào về tốc độ thấm hoặc rò rỉ không liên quan đến sự thay đổi mức độ hồ chứa cần được điều tra nhanh chóng. Sự gia tăng thấm hoặc rò rỉ có thể là dấu hiệu của sự xói ngầm bên trong.

Hiện tượng giảm thấm có thể là một dấu hiệu của việc hệ thống tiêu nước bị tắc. Nó cũng có thể là một dấu hiệu cho thấy hiện tượng thấm đang gia tăng ở những nơi khác, có thể thông qua một rãnh xói, do đó làm giảm lưu lượng tại điểm đo. Nước thấm có màu đục hoặc đục có thể là dấu hiệu của sự xuất hiện của rãnh xói ngầm. Các vết thấm hoặc rò rỉ mới cũng có thể liên quan đến các vấn đề đang phát triển, chẳng hạn như vết nứt hay đứt gãy thủy lực trong thân hay nền đập.

Một biến số khác ảnh hưởng đến lượng thấm hoặc rò rỉ là sự phát triển của bề mặt đường bão hòa trong một đập đất mới xây dựng. Đường bão hòa sẽ mất một thời gian để đạt đến trạng thái ổn định. Trong giai đoạn này, hiện tượng thấm có thể tăng dần.

Đối với các đập trên nền đá thuộc loại có đặc trưng bị hòa tan (ví dụ thạch cao hoặc halit), hiện tượng thấm có thể tăng lên theo thời gian do đá bị hòa tan. Trong những trường hợp này, sự gia tăng từ chậm và ổn định của nước thấm có thể là dấu hiệu của các vấn đề đang phát triển.

Hệ thống thoát nước nền được bố trí để giảm áp lực đẩy lên đáy đập. Các hệ thống thoát nước này thường được lắp đặt tại thời điểm thi công xây dựng. Cùng với hệ thống thoát nước móng, hệ thống thoát nước bằng đá khối xếp và thoát nước mặt thường được lắp đặt để ngăn chặn sự thấm dọc theo khối và các khớp nối. Điều rất quan trọng là phải duy trì hệ thống thoát nước trong tình trạng hoạt động bình thường bằng cách làm sạch thường xuyên để duy trì điều kiện dòng chảy tự do. Lưu lượng nước từ tất cả các đường thoát nước riêng lẻ hoặc nhóm đường thoát nước phải được gom lại và đo lường tại các tràn thành mỏng/máng đo lưu lượng. Nước nên được kiểm tra về hàm lượng hóa học và huyền phù để hỗ trợ đánh giá dung dịch hoặc hiện tượng xói mòn có thể đang diễn ra. Cao trình của nước hồ chứa và cao trình nước hạ lưu đập phải được ghi lại tại thời điểm đo đạc để có thể phát triển mối quan hệ giữa các thông số này.

2.2.1   Đo lưu lượng bằng tràn thành mỏng

Tràn thành mỏng là một trong những thiết bị lâu đời nhất, đơn giản nhất và đáng tin cậy nhất được sử dụng để đo lưu lượng dòng chảy. Nó có thể được kiểm tra dễ dàng và sửa chữa nhanh chóng khi bị hư hỏng. Ba loại tràn thành mỏng thường được sử dụng là (a) hình chữ nhật, (b) hình tam giác (V-notch), và (c) hình thang (Cipolletti) (Hình 2-7). Tốc độ xả được xác định bằng cách đo chiều cao thẳng đứng từ cao độ mặt nước chảy  qua tràn (ở mặt phẳng tràn) và đáy của tiết diện tràn. Lưu lượng sau đó được tính theo công thức hoặc tham khảo các bảng trong các Sổ tay.

Hình 2‑7: Ba loại tràn thành mỏng đo lưu lượng: (a) chữ nhật, (b) tam giác(V notch), và (c) hình thang (Cipolletti)

Tràn thường là các tấm phẳng bằng kim loại hoặc nhựa. Chúng được lắp đặt trong mương, máng xối, đường ống, hoặc trong các lỗ bảo dưỡng trong hệ thống thu gom nước trong thân đập tại các hành lang kiểm tra. Tràn tam giác phù hợp với tốc độ dòng chảy nhỏ hơn khoảng 0.05 m3/s. Các tràn hình chữ nhật hoặc hình thang là phù hợp cho các dòng chảy lớn hơn. Chiều dày tràng phải đủ mỏng để dòng nước chảy dễ dàng. 

Tràn thành mỏng là đơn giản, đáng tin cậy, rẻ tiền và ít cần bảo trì. Hạn chế duy nhất là khi dòng chảy lớn có thể làm ngập tràn, trong trường hợp này phải thay đổi độ cao của tràn tuy nhiên lại phụ thuộc vào kích thước của mương dẫn.

2.2.2   Đo bằng máng đo lưu lượng Parshall

Máng đo lưu lượng Parshall là những đoạn kênh hở có hình dạng đặc biệt, được minh họa trong Hình 2-8. Máng thường được lắp đặt cố định và được làm bằng bê tông cốt thép, kim loại hoặc sợi thủy tinh chế tạo sẵn và có thể có kích thước để đo nhiều dòng chảy. Kích thước máng đo lưu lượng tiêu chuẩn được đưa ra trong WMO (2010a). Lượng nước chảy qua họng máng được tính bằng cách đo độ sâu của nước ở thượng nguồn và sử dụng phép đo bằng phương trình thủy lực thích hợp. Việc lắp đặt các máng đo lưu lượng Parshall nên ở đoạn kênh bằng phẳng và lý tưởng nhất là ở vị trí không bị ngập nước ở hạ lưu.

Hình 2‑8 Máng lưu lượng Parshall đo lưu lượng

Máng đo lưu lượng Parshall rất đơn giản, đáng tin cậy và ít cần bảo dưỡng. Chúng gây ra hạn chế tối thiểu đối với kênh dòng chảy và tổn thất đầu thấp. Hạn chế chính là chi phí cài đặt sẽ cao hơn so với hầu hết các thiết bị khác.

Máng đo lưu lượng Parshall di động của Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) (Kilpatrick và Schneider 1983) là một sửa đổi của Máng đo lưu lượng Parshall tiêu chuẩn, nơi phần xả đã được loại bỏ (Hình 2-9). Mục đích của việc sửa đổi là giảm trọng lượng và giúp dễ lắp đặt hơn, ngay cả trên cơ sở tạm thời khi thực hiện các phép đo định kỳ. Vì tính di động là mối quan tâm hàng đầu, máng được làm bằng tấm nhôm dày 3.2 mm. Với chiều rộng họng 7.6 cm, nặng khoảng 5.4 kg.

Hình 2‑9 Máng đo di động của USGS

2.2.3   Đo lưu lượng bằng máy đo vận tốc dòng nước

Nhiều loại máy đo vận tốc có sẵn để đo tốc độ dòng chảy trong các kênh mở (WMO 2008). Chúng bao gồm các thiết bị kiểu pitot (Hình 2-10), máy đo kiểu cánh quạt, máy đo dòng âm và máy đo dòng điện từ.

Hình 2‑10 Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo lưu lượng kiểu Pitot

Máy đo  kiểu cánh quạt tiêu chuẩn được thể hiện trên Hình 2-11. Máy đo vận tốc sử dụng công nghệ vận tốc Doppler laser không tiếp xúc và sóng siêu âm không tiếp xúc có cảm biến mực nước đã được giới thiệu gần đây. Máy đo sử dụng cảm biến đo mức siêu âm để tìm mực nước và tính toán một điểm dưới bề mặt trong kênh xả để đo vận tốc (Hình 2-12).

2.2.4   Đo lưu lượng bằng thùng chứa đã được hiệu chuẩn

Các vật chứa có thể tích đã biết có thể được sử dụng để đo các dòng chảy lưu lượng thấp tập trung và rơi tự do. Tốc độ dòng chảy được tính bằng thể tích của vật chứa chia cho thời gian cần thiết để làm đầy vật chứa.

Bằng các thùng đo này, tốc độ dòng chảy cực thấp có thể được đo chính xác. Tốc độ dòng chảy lớn nhất được giới hạn bởi kích thước của thùng chứa có thể được điều động nhanh chóng vào và ra khỏi dòng chảy hoặc dòng chảy có thể dễ dàng chuyển hướng. Thông thường, các thùng chứa đã được hiệu chuẩn phù hợp để đo tốc độ dòng chảy nhỏ hơn khoảng 3 lít mỗi giây.

Các thùng chứa đã được hiệu chuẩn là đáng tin cậy đối với dòng chảy thấp và không tốn kém. Chúng có ứng dụng hạn chế vì yêu cầu dòng chảy rơi tự do và chúng không chính xác và tốn nhiều công sức đối khi dùng để đo cho dòng chảy lớn.

2.2.5   Kiểm tra bằng mắt

Kiểm tra bằng mắt thường đặc biệt hiệu quả khi kiểm tra vết thấm. Dấu hiệu đầu tiên  có thể nhận ra dễ dàng bằng mắt thường là độ đục của nước thấm. Độ đục cao là một dấu hiệu nguy hiểm vì nó có thể do xói ngầm các hạt mịn từ bên trong thân đập. Một dấu hiệu khác cũng có thể dễ dàng nhận thấy là sự hình thành của các vệt hay dòng thấm, thường xuất hiện trong giai đoạn tích nước lần đầu do kết quả của hiện tượng thấm qua thân hay nền.

Các thí nghiêm kiểm tra chất lượng nước sẽ cung cấp thông tin để đánh giá sự hòa tan của nền đá, nguồn nước thấm hay rãnh xói ngầm. Các thí nghiệm chất lượng nước thông thường tại hiện trường bao gồm độ pH, nhiệt độ và độ dẫn điện, còn trong phòng thí nghiệm là tổng chất rắn hòa tan, tổng chất rắn lơ lửng và nhiều loại khoáng chất (ví dụ: natri, kali, cacbonat, bicacbonat, sunfat và clorua). Các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn được đưa ra bởi Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ (ASTM), Hiệp hội Công trình Nước Hoa Kỳ (AWWA) và Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA). Bartholomew và Haverland (1987) và Bartholomew et al. (1987) trình bày việc áp dụng các phương pháp thử tiêu chuẩn để đánh giá thấm tại các đập.

2.2.6   Phát hiện thấm bằng cáp quang

Sử dụng cảm biến nhiệt độ bằng  sợi cáp quang cho phép đo dọc theo toàn bộ chiều dài của cáp. Công nghệ này cung cấp khả năng đo nhiệt độ dọc theo dây cáp có chiều dài đến vài km, liên tục và với độ chính xác cao. Một kỹ thuật đo được phát triển cao cho phép phân tích và đánh giá các thay đổi đặc tính do phân bố nhiệt độ đáng tin cậy dọc theo sợi quang.

Cáp quang đã được lắp đặt bên trong các đập, đê để đo độ thấm (Hartog 2017, trang 303-305). Nguyên tắc phát hiện là dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của vùng không bị nước xâm nhập và vùng có nước xâm nhập, bão hòa một phần hay toàn phần. Việc sử dụng các phép đo nhiệt độ để phát hiện hiện tượng thấm là khá khó khăn do sự chênh lệch nhiệt độ là nhỏ đồng thời nó còn liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ theo mùa và ngày cũng như sự thay đổi nhanh hơn khi tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, tác động nhiễu loạn của mưa và sự không đồng nhất trong thân đập của vật liệu đắp được sử dụng trong xây dựng hoặc sự hiện diện của các khối tiêu nước.

Trong thân và nền đập vật liệu địa phương, nhiệt độ bên trong phụ thuộc vào trường dòng thấm. Các gradient nhiệt độ có thể tồn tại ở dạng chênh lệch lâu dài hoặc theo mùa, hoặc ở dạng biến đổi đáng kể tại nguồn thấm có thể tạo ra. Nếu có sự rò rỉ, dị thường nhiệt độ sẽ được vận chuyển vào cấu trúc bằng đối lưu và sẽ lan truyền khắp thân đất, làm thay đổi trường nhiệt độ. Phương pháp quan trắc nhiệt độ bằng sợi cáp quang chôn trong thân đập có thể tìm chính xác sự thay đổi nhiệt độ bất thường và khu vực bị ảnh hưởng bởi thấm hoặc rò rỉ quá mức.

Một cách tiếp cận khác để phân tích các phép đo nhiệt độ bằng cáp quang là phương pháp chủ động hoặc phương pháp xung nhiệt. Phương pháp này dựa trên phản ứng nhiệt của vùng xung quanh cáp quang khi có nhiệt  bổ sung và nó sẽ cho biết liệu cáp đang ở trong môi trường ẩm, bão hòa một phần hay bão hòa hoàn toàn và liệu có dòng thấm hay không. Bằng cách cung cấp một điện áp vào dây điện trở được tích hợp vào một sợi cáp quang, điện trở sẽ nóng lên. Sự tăng nhiệt độ trong cáp phụ thuộc vào độ lớn của nguồn nhiệt và độ dẫn điện của vật liệu đất xung quanh. Nếu có nước thấm, nhiệt lượng đầu vào từ cáp sẽ tản ra nhanh hơn.

Sơ đồ bố trí cáp quang trên mái hạ lưu đập để đo thấm

2.2.7- Công nghệ đánh giá thấm bằng kỹ thuật đánh dấu đồng vị

Trên thân đê, đập, qua các lỗ khoan quan trắc (ống đo áp, pizometer) người ta dùng các phương pháp đánh dấu đồng vị (phóng xạ và tự nhiên) để xác định tốc độ thấm, lưu lượng thấm và hệ số thấm, sau đó so sánh với các giá trị thiết kế cho phép để đánh giá mức độ an toàn của đập. Qui trình này đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.

Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh đã sử dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ (¹³¹I) để xác định trực tiếp vận tốc thấm ở các vị trí có đặt các pizometer, từ đó đánh giá được lưu lượng thấm và các đặc trưng khác của quá trình thấm như:  phân bố vận tốc thấm, hệ số thấm trong các phần khác nhau của đập trên các đập thuỷ điện Yaly (1992) và Hoà Bình (1994).

Tại Việt nam, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã sử dụng phương pháp đánh dấu bằng đồng vị bền (⁵²Cr) để nghiên cứu tốc độ thấm tại đập Hoà Bình. Cả hai phương pháp (đánh dấu đồng vị phóng xạ và đồng vị bền) đều được thực hiện bằng kỹ thuật một lỗ khoan: thả các chất đánh dấu vào pizometer và quan trắc sự suy giảm nồng độ theo thời gian tại pizometer đó, qua đó đánh giá được vận tốc thấm cho từng pizometer trên thân đập. Các kết quả đánh giá tốc độ thấm được so sánh với số liệu thiết kế qua đó đánh giá được mức độ an toàn của đập.

Việc sử dụng các đồng vị tự nhiên (¹⁸O/¹⁶O , ²H(D)/¹H và ³H (T)) như những chất đánh dấu đang được sử dụng tại Việt Nam để đánh giá tuổi và nguồn gốc nước ngầm ở một số khu vực của đồng bằng sông Hồng (đề tài cấp bộ của PGS.TS Hoàng Đắc Lực: 2000-2001; đề tài cấp bộ của TS. Trịnh Văn Giáp: 2002-2003). Trước đây các ứng dụng còn hạn chế do khó khăn về phân tích mẫu (Các mẫu nước thu thập được đều phải gửi đi phân tích tại các phòng thí nghiệm của IAEA ở nước ngoài). Hiện nay phòng thí nghiệm Thuỷ văn đồng vị, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã được trang bị một khối phổ kế tỷ số đồng vị, là điều kiện rất thuận lợi cho việc nghiên cứu triển khai rộng rãi các ứng dụng kỹ thuật đồng vị tự nhiên.

2.2.8- Phương pháp sử dụng muối ăn làm chất đánh dấu

Phương pháp này sử dụng muối ăn làm chất đánh dấu. Nước muối được bơm vào giếng khoan thứ nhất, giếng khoan thứ hai cách giếng khoan thứ nhất một khoảng cách thích hợp dùng để đo. Tham số đo ở đây là giá trị điện trở suất biểu kiến trong giếng khoan. Khi nước muối được đổ vào giếng khoan thứ nhất, nước muối theo dòng nước và di chuyển đến giếng khoan thứ hai làm cho giá trị điện trở suất của nước trong giếng khoan thứ 2 sẽ giảm đi rất nhanh. Thời gian bắt đấu đổ nước muối vào giếng khoan thứ nhất đến thời gian quan sát được điện trở suất của nước trong giếng khoan thứ hai chính là thời gian di chuyển của nước.

Viện Thủy công (Viện KHTLVN) phối hợp với Viện Địa chất (Viện Hàn lâm KHCNVN) đã sử dụng phương pháp đổ muối để xác định hướng dòng thấm ưu tiên và vận tốc thấm của nước dưới đất trên một số công trình. Kết quả cho thấy phương pháp này tìm được chỗ vào của dòng thấm, hướng thấm (priority flow) và vận tốc dòng thấm dưới đê đập bằng thiết bị đơn giản (tự chế tạo) và vật liệu muối ăn thông thường nên rất dễ mua.

Mặt cắt điện trở suất AB xác định được sau khi đổ muối 22 tiếng (đo lúc 16h15-18h ngày 3/6/2018)

Tài liệu tham khảo:

[1] Guidelines for Instrumentation of Large Dams, Central Water Commission Ministry of Water Resources, River Development & Ganga Rejuvenation Government of India. January 2018.

[2] TCVN 8215:2019- Công trình thủy lợi- Thiết bị quan trắc

[3] Chỉ dẫn về công tác quan trắc cho đập lớn, Sổ tay 11, Báo cáo nhiệm vụ 3, Dự án “Xây dựng phương pháp và hướng dẫn kỹ thuật đánh giá an toàn đập thuỷ điện và thí điểm đánh giá cho các đập được lựa chọn”, Nguyễn Quốc Dũng, Nguyễn Anh Dũng và nnk, năm 2022.

[4] Sổ tay quan trắc đập bê tông, Nguyễn Chiến và nnk, Nhà xuất bản Xây dựng, 2019.

Biên soạn bởi: Nguyễn Quốc Dũng

[Mời xem tiếp Bài 4: Quan trắc dịch chuyển]