Đăng ký thành viên

Giải pháp kỹ thuật giúp chống chịu động đất cho đập thủy điện

Từ Đảo Vancouver (Canađa) đến Kariba (Zimbabwe), các dự án kỹ thuật chống chịu các rủi ro động đất, bảo vệ nguồn nước, điện và các hệ sinh thái trong các vùng địa chấn.

Nâng cấp đập John Hart (Ảnh st)

Các lần nâng cấp chống chịu địa chấn tại Đập John Hart bao gồm việc xây dựng một bức tường bê tông nhựa trên Đập đắp đất Middle Earth. Tập đoàn Bauer (Đức) đã sử dụng hai máy MC 96 với một gầu thủy lực và máy cắt đất để đào rào chắn rò rỉ chính mới.

Đập John Hart, một trong ba con đập trên sông Campbell ở đảo Vancouver (Canađa), khởi công xây dựng từ năm 1947. Khi đó, thiết kế đã tính đến các yếu tố địa chấn dựa trên thông tin sẵn có. Ngày nay, các nhà khoa học hiểu rõ hơn về những rủi ro động đất tại khu vực Vùng hút chìm Cascadia.

Với một trận động đất lớn xảy ra trung bình cách nhau khoảng 500 năm một lần và với khoảng cách từ 300 đến 800 năm giữa các sự kiện, điều đó có nghĩa là một trận động đất có thể xảy ra bất cứ lúc nào. Đó là lý do tại sao Công ty BC Hydro (Canađa) đang tiến hành các nâng cấp chống động đất tại Đập thủy điện John Hart của mình.

Nằm cách thị trấn Campbell River chỉ sáu phút lái xe ngược dòng, con đập này dẫn nước để phát điện tại Nhà máy điện John Hart, cung cấp các hoạt động quản lý rủi ro lũ lụt, cung cấp nước uống cho Thành phố Campbell River cũng như cấp nước cho môi trường sinh sản ở một khu vực được gọi là Thủ đô Cá hồi của Thế giới.

Trong mười năm qua, BC Hydro đã thay thế nhà máy điện phía hạ lưu tại John Hart để đáp ứng các tiêu chuẩn địa chấn, duy trì độ tin cậy và bảo vệ môi trường sống của cá và hiện đang trong quá trình xây dựng lại chính con đập. Khi hoàn thành, đập sẽ đủ khả năng chống chịu một trận động đất cực mạnh 10.000 năm mới có 1 lần, với cường độ 9,0 hoặc lớn hơn.

Bắt đầu vào năm 2023, Dự án Nâng cấp Địa chấn John Hart kéo dài sáu năm là một phần trong kế hoạch kéo dài mười năm trị giá 36 tỷ đô la Canađa mà BC Hydro mới công bố gần đây nhằm duy trì và nâng cấp các tài sản hiện có, bao gồm mạng lưới đập, các đường dây truyền tải và các trạm biến áp của BC.

BC Hydro cho biết các nâng cấp hiện nay chủ yếu tập trung vào việc ‘mở rộng’ chân đập bằng cách bổ sung bờ kè ở thượng lưu và hạ lưu, đồng thời lắp thêm rào chắn nước vào thân đập. Các biện pháp này nhằm tăng cường khả năng đập chống chịu rung lắc mạnh do động đất.

Để bảo vệ Đập John Hart, các kỹ sư sử dụng máy BAUER BG 30 cùng nhiều thiết bị khác để gia cố và tăng cường sức chịu đựng của nền đất (Ảnh st)

Rào chắn nước rò rỉ

Công ty Bauer Foundations Canađa, công ty con của Tập đoàn Bauer Spezialtiefbau GmbH (Đức), gần đây đảm nhận nhiệm vụ thi công rào chắn nước rò rỉ mới bên trong phần đắp đất lấp chính của đập. 

Dự án do Liên Doanh Aecon/EBC General Partnership quản lý, bao gồm xây dựng một bức tường chắn bằng bê tông nhựa có độ thấm thấp trên đập đất giữa để tăng cường các rào chắn nước và tính năng chống địa chấn của phần đất đắp. Ngoài các công trình tường chắn, Bauer còn thực hiện cải tạo đất trên các trầm tích mềm để gia cố đập đất phía bắc. 

Nhiệm vụ xây dựng của Bauer bao gồm lắp đặt tường chắn bê tông nhựa cũng như làm đặc đất và biển cho các bờ đắp mới nâng cấp. Một thách thức lớn là giảm thiểu tác động môi trường đến hồ chứa, Campbell River và công viên xung quanh trong quá trình xây dựng, đặc biệt là gần điểm khai thác nước uống cho thị trấn Campbell River. Công trình bắt đầu vào tháng 10 năm 2023 và hoàn thành thành công vào tháng 7 năm 2024. Một giai đoạn cải tạo đất khác sẽ diễn ra vào năm 2025. 

Đập John Hart (Ảnh st)

Quá trình hiện đại hóa Đập John Hart liên quan đến nhiều thách thức về kỹ thuật và hậu cần. 

Trong số các thiết bị được huy động cho dự án có hai cần cẩu chu kỳ Bauer MC 96: Một chiếc gắn gầu thủy lực DHG V, một chiếc gắn máy cắt BC 48; ba hệ thống nạo vét BE của chi nhánh Bauer MAT Slurry Handling Systems (Hệ thống xử lý bùn cát Bauer MAT) và một máy khoan Bauer BG 30. Mùa đông khắc nghiệt và không gian làm việc chật hẹp trên cả hai đập đất lấp làm cho quá trình thi công thêm phần khó khăn. Để vượt qua thành công các thách thức này, nhóm dự án đã dựa vào các công nghệ tiên tiến và các công cụ kỹ thuật số như b-tronic và Virtual Site Installer (VSI) – Thiết bị lắp đặt tại hiện trường ảo. 

Kết quả là, không chỉ có thể theo dõi công việc theo thời gian thực, mà còn có thể điều chỉnh các quy trình cho phù hợp khi cần thiết. Bauer cho biết, nhờ sự hỗ trợ của đội ngũ giàu kinh nghiệm tại hiện trường cũng như các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Đức, các kỹ sư đã tối ưu hóa chất lượng bê tông nhựa dùng cho bức tường chống thấm.

Các chuyên gia đánh giá việc nâng cấp địa chấn Đập John Hart là dấu mốc quan trọng cả về kỹ thuật lẫn sinh thái. Các công trình rộng lớn sẽ giúp bảo vệ nguồn cấp nước trong khu vực đồng thời giảm thiểu tác động môi trường. Bauer tự hào đã đóng góp một phần quan trọng cho khu vực với việc hoàn thành thành công việc nâng cấp an toàn đập đầy thách thức.

Dự án nâng cấp tại Đập John Hart của BC Hydro cũng sẽ bao gồm các nâng cấp vĩnh viễn về chống lũ lụt và nâng cấp dòng chảy, đáng chú ý là một cống tràn mới bên dưới mặt đường trên đỉnh đập và thay thế ba cửa đập tràn cùng các công trình liên quan, chẳng hạn như hệ thống tời.

Hơn nữa, các cửa đập tràn mới hoặc mới nâng cấp trên cả ba đập Strathcona, Ladore và John Hart trong hệ thống này sẽ cho phép điều tiết dòng chảy tốt hơn trong trường hợp xảy ra động đất lớn.

Đập Kariba

Đập Kariba (Ảnh st)

Cơ quan quản lý sông Zambezi (tổ chức song phương do Chính phủ Cộng hòa Zambia và Zimbabwe cùng sở hữu với chức năng chính là vận hành, duy trì, theo dõi và điều tiết mực nước trong hồ chứa Kariba trên sông Zambezi) gần đây đã xác nhận sự xuất hiện của các vụ động đất ở khu vực xung quanh đập Kariba (thuộc sở hữu chung của Zambia và Zimbabwe). Vụ động đất gần đây nhất có cường độ M4.9 xảy ra vào ngày 23/12/2024, với tâm chấn cách đập Kariba khoảng 19km ở độ sâu 10km. Khu vực này nằm trong hồ chứa nước Kariba, ngay phía sau đảo Antelope ở Zimbabwe. 

Vì lợi ích của an toàn đập, cơ quan này tiếp tục cho biết họ không tập trung vào cường độ của các trận động đất, mà là gia tốc hoặc rung chấn mặt đất do sự kiện này tạo ra. Các rung chấn/rung lắc còn bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm như khoảng cách và độ sâu của tâm chấn. Do đó, một trận động đất có cường độ nhỏ hơn nhưng có tâm chấn gần tường đập hơn có thể gây thiệt hại nhiều hơn một trận động đất lớn có tâm chấn nằm xa tường đập. 

Là một phần của công tác chuẩn bị ứng phó khẩn cấp và các quy trình vận hành tiêu chuẩn sau khi xảy ra các sự cố bất thường, cơ quan chức năng sẽ thanh tra đập và phân tích dữ liệu từ các thiết bị theo dõi đập khác nhau mỗi khi có sự cố động đất. Các thiết bị này không ghi nhận hiện tượng bất thường nào và đập vẫn vận hành ổn định, phù hợp với các điều kiện tải trọng hiện hành.

Ảnh chụp từ trên cao Đập Kariba trên lưu vực Sông Zambezi giữa Zambia và Zimbabwe. Cơ quan quản lý Sông Zambezi đã thảo luận về hoạt động địa chấn gần đây xung quanh đập (Ảnh st)

An toàn trạm

Hoạt động địa chấn rất phức tạp và ngay cả với các công cụ phân tích dữ liệu tiên tiến, vẫn còn nhiều yếu tố chưa biết ảnh hưởng đến thời điểm và địa điểm xảy ra động đất. Do đó, các nỗ lực hiện tại tập trung vào việc nâng cao hiểu biết về hiện tượng địa chấn và phát triển các công cụ tối tân hơn để phát hiện và ứng phó với động đất khi chúng xảy ra.

Trong bài báo gần đây đăng trên tạp chí Frontiers in Environmental Science (Biên giới trong Khoa học Môi trường), các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu tối đa hóa an toàn cho nhà máy thủy điện trước nguy cơ động đất. Họ tập trung vào việc dự đoán vận tốc truyền sóng cắt cực đoan bằng phương pháp học máy để hỗ trợ thiết kế và bảo vệ công trình.

Theo như các tác giả giải thích, để đánh giá tốc độ cắt tiềm ẩn của các lớp đá xung quanh, tham số vận tốc truyền sóng cắt (Vs) có thể là một công cụ hữu ích. Tham số này giúp xác định vận tốc mà tại đó sóng cắt di chuyển qua các lớp đất đá, có thể chỉ ra tính ổn định và khả năng xảy ra động đất.

Nghiên cứu này khảo sát ý nghĩa của tham số Vs trong việc đánh giá tốc độ cắt tiềm ẩn của các lớp đá xung quanh các nhà máy thủy điện và cách sử dụng nó để đảm bảo an toàn và hiệu quả của chúng ở các khu vực dễ xảy ra động đất. 

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã đề xuất một phương pháp tiếp cận mới liên quan đến việc sử dụng công nghệ học máy cực đoan (ELM) để tiên đoán Vs và tăng cường an toàn địa chấn của các nhà máy thủy điện. Mô hình ELM tiên đoán Vs của các lớp đất xung quanh nhà máy thủy điện, một yếu tố quan trọng trong việc xác định phản ứng địa chấn của công trình. Sau đó, sử dụng Vs tiên đoán để đánh giá nguy cơ địa chấn và thiết kế các biện pháp an toàn phù hợp. 

Trong nghiên cứu này, một tập dữ liệu lớn gồm 3.200 điểm dữ liệu đã được phân tích để có được thông tin chi tiết về các thành tạo đá của nền móng nhà máy thủy điện. Tập dữ liệu chứa thông tin về độ sâu đã đo, loại đá, nhật ký tia gamma, độ xốp neutron nhiệt, điện trở suất nông, điện trở suất sâu, vận tốc sóng nén (Vp) và vận tốc truyền sóng cắt (Vs) đã ghi lại trong quá trình ghi nhật ký địa chấn theo phương thẳng đứng. 

Nghiên cứu này đã sử dụng bốn mô hình mới xây dựng và đã thấy rằng mô hình học cực đoan nhiều lớp (ML-ELM) vượt trội hơn cả các mô hình ELM và các mô hình kinh nghiệm, cũng như ít tiên đoán dữ liệu ngoại lệ hơn. Mặc dù ELM đơn giản hơn và nhanh hơn ML-ELM, vì nó chỉ có một lớp ẩn với trọng số ngẫu nhiên và không liên quan đến truyền ngược, ML-ELM có lợi thế là học các hình mẫu phức tạp hơn trong dữ liệu do nhiều lớp ẩn với các phép biến đổi phi tuyến. 

Các tác giả tin rằng cách tiếp cận này hứa hẹn khả năng tiên đoán Vs trong các môi trường tương tự và các nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá hiệu quả của nó trong các tập dữ liệu khác và ứng dụng thực tế. 

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Water power magazine”, tháng 6/2025