Phòng nghiên cứu ĐKT-Viện Thủy công: hình thành và phát triển

6

Quá trình thành lập

• Từ tháng 11 năm 1959 đến năm 1972, Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật có tên là Tổ Cơ đất – Nền móng, thuộc Phòng Nghiên cứu Đất đá – Vật liệu, trực thuộc Viện Thủy lợi – Điện lực. Đến năm 1963, Viện Thủy lợi – Điện lực tách ra và đổi tên thành Viện Nghiên cứu Khoa học Thuỷ lợi.
• Từ năm 1972 đến 1998, Phòng được tách thành Phòng Nghiên cứu Đất đá – Nền móng trực thuộc Viện Khoa học Thuỷ lợi.
• Từ tháng 2/1999 đến tháng 10/2008, Phòng được đổi tên thành Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật và Xử lý nền móng, trực thuộc Viện Khoa học Thuỷ lợi.
• Từ tháng 10/2008 đến nay, Phòng có tên là Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật, Viện Thủy công, trực thuộc Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam.

Hình 1. Cán bộ Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật chụp ảnh cùng ban lãnh đạo Viện Thủy công năm 2019

Chức năng và nhiệm vụ

Là một trong những đơn vị nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực Địa kỹ thuật và Nền móng công trình, từ khi thành lập cho đến nay chức năng, nhiệm vụ chính của đơn vị là nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực Địa chất công trình, Địa chất thuỷ văn, Địa kỹ thuật xây dựng và Địa chất môi trường phục vụ xây dựng công trình thuỷ lợi cũng như các công trình xây dựng dân dụng, giao thông và phòng chống thiên tai ở Việt nam.
Trong suốt thời gian qua, bên cạnh nhiệm vụ nghiên cứu, đơn vị còn trực tiếp tham gia thực hiện các hoạt động tư vấn về khảo sát địa chất, địa chất thuỷ văn, xử lý nền móng, thí nghiệm kiểm định, đối chứng và giám sát chất lượng cho hàng loạt các công trình xây dựng lớn nhỏ thuộc lĩnh vực thuỷ lợi, xây dựng và giao thông. Cùng với đó, đã tiến hành nghiên cứu soát xét, biên soạn mới, biên soạn sửa đổi, chuyển đổi nhiều quy trình thí nghiệm, tiêu chuẩn cơ sở, tiêu chuẩn quốc gia trong lĩnh vực: thí nghiệm đất, đá xây dựng công trình thuỷ lợi, khảo sát địa chất, công trình đập ngầm, đập chắn bùn đá, khoan phụt chống thấm, gia cố và cải tạo đất bằng một số loại hợp chất kết dính xi măng, vôi, puzolan tự nhiên, Rovo, v.v…. Trong công tác đào tạo, Phòng là nơi thực tập tốt nghiệp của nhiều thế hệ sinh viên ngành địa chất công trình, đào tạo cán bộ thí nghiệm địa chất, hướng dẫn đồ án tốt nghiệp đại học, thạc sỹ, tiến sỹ. Chức năng chính của Phòng bao gồm:
• Quan trắc, dự báo tai biến địa chất, địa kỹ thuật công trình;
• Nghiên cứu phát triển công nghệ và thiết bị khảo sát địa chất, địa chất thủy văn;
• Thí nghiệm, đánh giá, kiểm định chất lượng vật liệu đất, đá nền móng công trình, đập, đường giao thông;
• Tư vấn và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực địa kỹ thuật và xử lý nền móng;
• Nghiên cứu các giải pháp công nghệ bảo tồn và khai thác hiệu quả tài nguyên nước dưới đất phục vụ sản xuất và sinh hoạt;
• Đào tạo bồi dưỡng, nâng cao trình độ thí nghiệm viên đất xây dựng;
• Tham gia đào tạo thạc sỹ, tiến sỹ.

Hình 2. Thi công đường bằng đất tại chỗ trộn puzolan tự nhiên, xi măng và vôi tại Đắk Nông
Hình 3. Nghiên cứu hiệu quả gia cố đất bằng xi măng để xây dựng móng nông bằng công nghệ TNF của Nhật Bản

Đội ngũ cán bộ

Đơn vị là nơi có được đông đảo các cán bộ, các nhà khoa học chuyên ngành có trình độ cao và bề dày kinh nghiệm từng kinh qua công tác. Tại đây, nhiều giáo sư, phó giáo sư, tiến sỹ đầu ngành đã từng làm việc và cống hiến cho cho lĩnh vực Địa kỹ thuật và Nền móng của ngành Thuỷ lợi, trong số đó có thể kể đến như các Giáo sư, tiến sỹ: Nguyễn Văn Thơ, Phạm Văn Cơ, Trần Như Hối, Lê Văn Thự, Huỳnh Đăng Toàn, Nguyễn Trấn, Vũ Văn Thặng, Nghiêm Hữu Hạnh, Phạm Văn Thìn, v.v… Hiện nạy, số cán bộ của đơn vị đang công tác là 16 người, trong đó có 1 tiến sỹ, 6 thạc sĩ, 1 NCS, và các kỹ sư, cử nhân với ít nhất có 3 năm kinh nghiệm công tác. Trong số này ngoài đa phần được đào tạo trog nước thì có 2 cán bộ được đào tạo tại Nga, 1 tại Trung Quốc và 1 cán bộ đang học tập tại Nhật Bản.

Trang thiết bị thí nghiệm

Đơn vị có 1 phòng thí nghiệm cơ lý đất, đá thuộc hệ thống các phòng thí nghiệm chuẩn chuyên ngành của Quốc gia với mã số LAS – XD 268. Thiết bị thí nghiệm tương đối đầy đủ và hiện đại được sản xuất từ các nước tiên tiến như Anh, Mỹ, Nga, Italia, Trung quốc. Các thiết bị thí nghiệm cơ lý đất trong phòng gồm: thiết bị máy cắt phẳng; thiết bị nén một trục, nén cố kết, xác định độ trương nở của đất; thiết bị nén ba trục; bộ xác định hệ số thấm bằng cột áp thay đổi và không đổi; máy đầm nén proctor; thiết bị thí nghiệm CBR; bộ thiết bị thí nghiệm sức kháng cắt, mô đun đàn hồi của đá v.v…. Các thiết bị thí nghiệm hiện trường gồm: máy xuyên tĩnh (CPT) 100 KN TW – Geomil Hà Lan; thiết bị cắt cánh hiện trường; thiết bị xuyên tĩnh, xác định chỉ số CBR hiện trường v.v…
Phòng còn được đầu tư xây thêm một phòng thí nghiệm tại khu công nghệ cao Hòa Lạc phục vụ công tác nghiên cứu và đào tạo nghiên cứu sinh với các thiết bị thí nghiệm địa kỹ thuật hiện đại như: thiết bị thí nghiệm 3 trục tĩnh và 3 trục động; thiết bị thí nghiệm xói 3 trục (triaxial erosion test) lần đầu tiên được sử dụng tại Việt Nam; thí nghiệm tia xói (jet erosion test); máy cắt phẳng cỡ lớn (large scale shearbox-direct shear); mô hình thí nghiệm vật lý an toàn đập kích thước dài x rộng x cao = 8m x 2m x 3 m, có kèm theo cảm biến đo ứng suất, cảm biến biến dạng, hệ kích gia tải và máy ảnh, máy quay tốc độ cao; mô hình thí nghiệm vật lý công trình ngầm và đường hầm có kích thước: dài x rộng x cao = 2m x 2m x 2 m với bề mặt xung quanh là kính cường lực trong suốt cho phép thí nghiệm với nhiều kích thước, hình dạng đường hầm khác nhau; mô hình thí nghiệm ổn định mái dốc với kích thước: dài x rộng x cao = 4m x 2m x 2 m kèm hệ thống gia tải đứng và gia tải ngang; các thiết bị đo đạc dùng trong mô hình vật lý gồm: đầu đọc dữ liệu DataTaker DT80; cảm biến ứng suất kích thước nhỏ với đường kính 20 mm, dày 2,5 mm; bộ thiết bị và phần mềm quan trắc trường chuyển vị và biến dạng nền móng theo kỹ thuật đo vận tốc điểm ảnh PIV (particle image velocimetry).

Hình 4. Một số hình ảnh về mô hình thí nghiệm vật lý và thiết bị đo ứng suất, biến dạng

Về mô hình số, đơn vị sử dụng các phần mềm phân tích địa kỹ thuật nổi tiếng trên thế giới như: GEO-SLOPE của Canada; FLAC3D của Mỹ; PLAXIS của Hà Lan; MIDAS – GTS NX của Hàn Quốc; SAP2000 của Mỹ; GeoFBA2D của Trung Quốc; cùng một số phần mềm của Trung Quốc: tính toán nền móng PILE 7.3; tính toán hố móng FRWS 7.2; tính mặt bằng hố móng BSC 4.1; công trình lân cận hố móng JK3E.

Thành tựu nghiên cứu

Giai đoạn đầu tiên từ 1959 đến 1975: Chức năng và nhiệm vụ chính của đơn vị là nghiên cứu các vấn đề thuộc lĩnh vực cơ học đất và nền móng như: đặc tính cơ lý đất dính đồng bằng Bắc bộ; đặc trưng cơ lý một số loại đá thường dùng trong xây dựng công trình Thuỷ lợi; chỉ tiêu cơ lý đất trung du và miền núi bao gồm đất hạt thô dùng cho đắp đập; xử lý nền đất yếu bằng cọc tre, điều chế vật liệu sét tạo hào chống thấm; hoàn thiện cơ sở lý thuyết cho bài toán xử lý nền đất yếu bằng cọc nhồi, đệm cát. Công tác biên soạn giáo trình thí nghiệm và đào tạo hướng dẫn thành lập phòng thí nghiệm cơ lý đất cho các ty thủy lợi của các tỉnh miền Trung trở ra; xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất đá, vật liệu xây dựng phục vụ cho các công trình thuỷ lợi.

Phân tích thấm và ổn định đập đất
Hình 5. Một số kết quả mô phỏng nền móng

Giai đoạn từ 1975 đến 1990: Được sự chia sẻ nhân lực để thành lập Phòng nghiên cứu địa kỹ thuật của Phân viện thuỷ lợi miền Nam, song bổ sung một số tiến sỹ mới như: PGS.TS. Vũ Văn Tuyển, PGS.TS. Nghiêm Hữu Hạnh, TS. Phạm Văn Thìn, TS. Vũ Văn Thặng,… với các đề tài nghiên cứu về bài toán thấm và ổn định tổng thể đê sông; biện pháp tổng hợp thăm dò khuyết tật và tổ mối trong đê, đập thăm dò tổ mối hại đê bằng phóng xạ, địa vật lý điện v.v…, đề xuất được giải pháp xử lý mạch đùn, mạch sủi bằng giếng đào thoát áp. Nghiên cứu đặc tính cơ lý của các loại đất đá có nguồn gốc khác nhau trên các vùng miền trên toàn quốc nhằm sử dụng hợp lý các vật liệu tại chỗ để xây dựng công trình, đặc biệt là các nghiên cứu về vật liệu đất hạt thô, đất chứa sạn sỏi và đất bazan vùng Tây Nguyên. Các nghiên cứu và phương pháp tính toán dòng thấm không ổn định dưới nền đê và đặc biệt xác đinh được diễn biến áp lực gây đùn sủi, bục đất tại hạ lưu đê theo diễn biến thời gian và kịch bản lũ. Từ các kết quả đó đã đề xuất các giải pháp xử lý nền đê và nâng cao ổn định đê bằng các biện pháp tổng hợp như kéo dài đường viền thấm bằng bệ phản áp, lấp ao hồ thùng đấu, điều khiển hạn chế áp lực nước đẩy nổi tại hạ lưu đê bằng rãnh, giếng khoan đào thoát áp (nhóm nghiên cứu: Nguyễn Trấn, Nghiêm Hữu Hạnh, Quách Hoàng Hải ..). Các giải pháp xử lý đã được áp dụng rộng rãi cho các tuyến đê sông đồng bằng Bắc bộ.
Giai đoạn từ 1990 đến 2008: Đây là thời kỳ đổi mới trong cơ chế kinh tế thị trường, hoạt động nghiên cứu khoa học đã được nâng lên một bước, lĩnh vực chuyên môn của đơn vị được mở rộng. Một số kết quả nghiên cứu được kể đến như: hoàn thiện lý thuyết và phương pháp thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý vật liệu đất hạt thô, đất chứa sạn sỏi; cải tiến thiết bị khoan phụt, sử dụng vật liệu sét tạo vữa khoan phụt gia cố đê (Phạm Văn Thìn, Nguyễn Trấn, Nghiêm Hữu Hạnh, v.v…) các nghiên cứu cơ bản về đất có tính chất đặc biệt như: đất có tính dẻo cao, tính chất xói ngầm của đất trong xây dựng công trình thủy (Quách Hoàng Hải và các tác giả khác); sử dụng vật liệu phụ gia mới (ROCK) trong gia cố xử lý nền đất yếu làm tăng cường độ, giảm tính thấm nước của đất cho nền cát, cát chảy (Phạm Thị Thoa và các tác giả khác); ứng dụng công nghệ 2D trong thăm dò nước ngầm, kiểm tra, kiểm định chất lượng công trình đất đắp bằng địa vật lý; biên soạn bộ tiêu chuẩn 14TCN về phương pháp thí nghiệm đất xây dựng công trình thuỷ lợi (Phạm Văn Thìn, Quách Hoàng Hải và các tác giả khác).
Giai đoạn từ 2008 đến nay 2021: Các nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực Địa kỹ thuật đảm bảo an ninh nguồn nước với các đề tài về: đánh giá hiện trạng và ảnh hưởng điều kiện địa chất công trình đến tuổi thọ của hệ thống công trình nước sạch miền núi, các giải pháp nâng cao hiệu quả khai thác; vấn đề bồi lắng hồ chứa vừa và nhỏ. Các giải pháp lưu trữ và thất thoát nước với các đề tài: Nghiên cứu hoàn thiện, mở rộng quy mô và phạm vi áp dụng công nghệ đập ngầm để cấp nước sinh hoạt cho miền núi, hải đảo; Công nghệ thu và lưu giữ nước phục vụ cấp nước sạch hiệu quả cho vùng khô hạn khan hiếm nước; Công nghệ khai thác bền vững thấu kính nước nhạt trong cát cồn cát ven biển phục vụ cấp nước sinh hoạt cho vùng khan hiếm nước; Công nghệ lấy nước sinh hoạt kiểu đập Ngầm và Hào thu nước (Quách Hoàng Hải, Nguyễn Huy Vượng, Trần Văn Quang, Phạm Tuấn, …).
Các giải pháp công nghệ cải tạo, gia cố đất chống thấm đê, đập đất, làm nền đường giao thông được nghiên cứu và áp dụng vào nhiều công trình trong thực tế. Các phụ gia và chất kết dính đã nghiên cứu và áp dụng thành công gồm: phụ gia Rovo của Hà Lan, Puzolan tự nhiên nghiền mịn, tro bay, xi măng, vôi (Vũ Bá Thao, Nguyễn Huy Vượng, Đinh Văn Thức, Trần Văn Quang).
Các nghiên cứu về giải pháp công trình phòng tránh và giảm thiểu tác hại do thiên tai trượt lở đất, lũ quét, lũ bùn đá được đơn vị bắt đầu tiếp cận nghiên cứu từ năm 2017 (Vũ Bá Thao và và các tác giả khác) với các dự án, đề tài nghiên cứu cấp bộ, cấp nhà nước triển khai ở khu vực miền Trung và miền núi phía Bắc. Dự án điều tra cơ bản về thống kê đối tượng và mức độ thiệt hại do lũ bùn đá năm 2019; đề tài nghiên cứu cấp bộ về đề xuất các giải pháp công trình và phi công trình giảm thiểu thiệt hại do lũ quét, lũ bùn đá; đề tài cấp nhà nước tập trung nghiên cứu phương pháp điều tra, khảo sát, xác định các thông số lũ bùn đá như vận tốc, lưu lượng, hàm lượng, loại hình, v.v… và hiện đang hợp tác với JICA Nhật Bản để thực hiện dự án điều tra khảo sát và thiết kế đập chắn bùn đá và áp dụng thí điểm cho một suối đã xảy ra lũ bùn đá tại miền núi phía Bắc.

Bài báo khoa học và giải pháp hữu ích, bằng sáng chế:

Đơn vị đã được trao 1 giải 3, 1 giải khuyến khích VIFOTECH về công nghệ: cọc xi măng đất chống thấm nền móng và đập ngầm hào thu nước; có 3 độc quyền sáng chế, giải pháp hữu ích về công nghệ: công trình đập ngầm, hào thu nước, giếng thu nước và cọc chống trượt, gia cố đất bằng puzolan làm nền đường giao thông. Công bố 15 bài báo quốc tế SCOPUS/ISI và trên 60 bài báo trên tạp chí khoa học trong nước. Tham gia báo cáo tại các hội thảo quốc gia, quốc tế về lĩnh vực địa kỹ thuật công trình và địa chất thủy văn. Biên soạn để ban hành trên 30 tiêu chuẩn ngành và tiêu chuẩn quốc gia thuộc lĩnh vực thí nghiệm cơ lý đất đá, khảo sát địa kỹ thuật.

Hình 6. Một số hình ảnh về mô hình lưu trữ và khai thác nước ngầm đáy suối phục vụ sản xuất và sinh hoạt tại Điện Biên

Định hướng nghiên cứu trong thời gian tới

• Tai biến địa kỹ thuật gắn liền với lũ quét, lũ bùn đá và trượt lở đất, tập trung về điều tra, khảo sát, phân loại, phân cấp và thiết kế công trình phòng chống lũ bùn đá, sạt lở đất;
• Giải pháp gia cố, cải tạo đất tại chỗ bằng chất kết dính phục vụ phát triển hạ tầng nông thôn;
• Nghiên cứu về đặc tính cơ lý của các loại đất đặc biệt, quy luật biến đổi về tính chất của đất nền, vật liệu đất đắp theo điều kiện làm việc và theo phân vùng địa lý – địa chất. Nghiên cứu các giải pháp công nghệ tiên tiến trong cải tạo và xử lý nền đất yếu;
• Nghiên cứu giải pháp công nghệ sử dụng vật liệu đất tại chỗ vùng duyên hải và ven biển làm vật liệu đắp và vật liệu xây dựng. Hoàn thiện công nghệ đánh giá và xử lý địa kỹ thuật đối với các công trình có nền thấm mạnh và Cacstơ hoá;
• Xây dựng và biên soạn sửa đổi các tiêu chuẩn về thí nghiệm cơ lý đá trong phòng và hiện trường, tiêu chuẩn điều tra, khảo sát, thiết kế công trình phòng trị lũ bùn đá, trượt lở, sạt lở đất;
• Mở rộng việc ứng dụng công nghệ tổng hợp phục vụ tìm kiếm, khai thác và bổ cập nguồn nước dưới đất phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho các vùng khan hiếm nước vùng núi cao, trung du, vùng duyên hải và hải đảo;
• Đào tạo chuyên môn về thí nghiệm và sau đại học trong lĩnh vực địa kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực lưu trữ khai thác nước ngầm và thiên tai lũ bùn đá, sạt lở đất;
• Sử dụng mô hình thí nghiệm vật lý, mô hình vật liệu tương đương trong lĩnh vực ổn định mái dốc, sườn dốc, đường hầm, hố móng sâu, lũ bùn đá, an toàn đập;
• Hợp tác quốc tế trong lĩnh vực công nghệ và nghiên cứu địa kỹ thuật công trình.

 

Quách Hoàng Hải, Vũ Bá Thao, Nguyễn Huy Vượng

Phòng Nghiên cứu Địa kỹ thuật, Viện Thủy Công,

Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam.

E-mail: haiqh.dkt@gmail.com, vubathao@gmail.com, huyvuongdkt@gmail.com