Bauxite Việt Nam

Sau bài phân tích đầu tiên về xử lý hồ chứa bùn đỏ (Tư liệu 14), khi xảy ra sự cố vỡ đập bùn đỏ ở Hungary, PGS TS Nghiêm Hữu Hạnh đã viết tiếp bài phân tích thứ hai về độ an toàn của hồ chứa bùn đỏ ở Tây Nguyên. Bài đã được đăng trên BVN ngày 19/10/2010. Trong lần đăng lại này, chúng tôi bổ sung lời dẫn của GS Nguyễn Thế Hùng. Bauxite Việt Nam Tác giả PGS Nghiêm Hữu Hạnh đã phân tích rất khoa học về nguy cơ dẫn đến sự cố đập chắn của hồ chứa bùn đỏ. Trong các nghiên cứu mới nhất về sự cố gây ra do dòng thấm gây ra, ví dụ thấm từ các hồ chứa nước, thì vấn đề vỡ đập do dòng thấm gây xói ngầm các hạt mịn, khoa học hiện nay vẫn chưa đưa ra được tiêu chuẩn để kiểm tra; do đó đối với hồ chứa bùn đỏ, như PGS Nghiêm Hữu Hạnh phân tích trong bài này thì càng nguy hiểm bội phần. Các giải pháp kỹ thuật cho hồ chống thấm bùn đỏ ở Tây Nguyên hiện nay là không thể chống thấm được, đặc biệt qua đáy hồ và nguy cơ vỡ đập vẫn tiềm ẩn. GS Nguyễn Thế Hùng, Đại học Đà Nẵng

AN TOÀN HỒ CHỨA BÙN ĐỎ Ở TÂY NGUYÊN TỪ BÀI HỌC HUNGARY

PGS. TS. Nghiêm Hữu Hạnh

1. Đặt vấn đề

Theo tính toán của nhiều tác giả [1] cho thấy, tại dự án Nhân Cơ, sau 15 năm khai thác, khối lượng bùn đỏ lên tới 8,7 triệu m³, tại dự án Tân Rai, một năm thải ra 0,8 triệu m³, cả đời dự án Tân Rai thải khoảng 80-90 triệu m³ bùn đỏ. Việc chôn lấp hàng trăm triệu m³ bùn đỏ độc hại ở cao trình +600-700m tại vùng đầu nguồn của các hệ thống sông Đồng Nai và Serepok là một sự đe dọa trực tiếp, lâu dài đối với hệ môi trường sinh thái và an ninh quốc gia. Bởi vậy, các hồ chứa bùn đỏ phải bảo đảm an toàn tuyệt đối.

Sự cố vỡ đập chứa bùn đỏ Ajkai Timfoldgyar ở Hungary làm chúng ta không khỏi lo ngại cho sự an toàn của các hồ chứa bùn đỏ của đại dự án khai thác bauxite ở Tây Nguyên nước ta. Nhiều nhà lãnh đạo cao cấp của Bộ Tài nguyên-Môi trường, Bộ Công Thương và Tập đoàn KTV đã lưu ý tới vấn đề này. Tuy nhiên các vị này, như Bộ trưởng Bộ Tài nguyên - Môi trường Phạm Khôi Nguyên, Thứ trưởng Bộ Công Thương Lê Dương Quang đều khẳng định về sự an toàn của các đập chứa bùn đỏ ở Tây Nguyên, thậm chí có người còn cho rằng xây dựng đập chứa bùn đỏ trong thung lũng ở Tây nguyên thuận lợi hơn, an toàn hơn so với các hồ Ajkai Timfoldgyar ở đồng bằng. Trong bài này, tác giả phân tích một số ưu, nhược điểm của hai vị trí nêu trên, bước đầu phân tích nguyên nhân gây vỡ hồ ở Hungary và bài học cho Việt Nam.

2. Một số ưu nhược điểm chính của hai vị trí

Điều giống nhau cơ bản là các hồ này đều chứa bùn đỏ ướt. Vì bùn đỏ là chất độc hại nên hồ chứa dù đặt ở đâu cũng đều phải được thiết kế và xây dựng bảo đảm an toàn tuyệt đối, nghĩa là không cho nước tràn qua mặt đập, không cho phép sạt trượt, vỡ đập, không cho phép có dòng thấm qua nền và thân đập.

Điều khác biệt là hồ Ajkai Timfoldgyar ở Hungary được xây dựng ở đồng bằng còn hồ của Tân Rai và Nhân Cơ được xây dựng ở thung lũng trên cao nguyên. Điều khác biệt này tạo nên những ưu và nhược điểm khác nhau.

Khi xây dựng ở đồng bằng có những ưu nhược điểm chính như sau:

* Ưu điểm:

- Có thể lựa chọn được những khu vực có cấu trúc địa chất thuận lợi, như tầng đất cách nước dày, tầng chứa nước nằm sâu dưới mặt đất. Từ đó vấn đề ngấm nước độc hại vào tầng chứa nước và ra môi trường xung quanh được hạn chế và trên thực tế có thể khắc phục được. Trong trường hợp không khắc phục được sự thấm của nước hồ vào vùng đất xung quanh thì ở những nơi tầng nước ngầm nằm sâu có bị ô nhiễm thì sự ô nhiễm ấy cũng không có tác hại gì nếu không khai thác nước ngầm làm nước sinh hoạt.

- Có thể lựa chọn được vùng mà ở đó không phát sinh các hiện tượng địa chất động lực công trình, như xói bề mặt, trượt lở, lũ bùn đá, phong hoá, xói ngầm, cát chảy, lún ướt... do đó hoàn toàn có thể chủ động giải quyết vấn đề ổn định của đập và hồ chứa.

- Hồ được xây cao trên vùng đồng bằng thì nước mặt cung cấp cho hồ chỉ còn là nước mưa, hoặc nước do tuyết tan. Do đó có thể chủ động khắc phục được nguy cơ tràn nước từ đập ra xung quanh

- Có thể lựa chọn được vị trí rộng rãi, bằng phẳng thuận lợi cho thi công đập cũng như thi công kết cấu chống thấm cho nền đập và đáy hồ.

- Khi vấn đề thấm đã được giải quyết, thì an toàn của hồ chứa hoàn toàn toàn phụ thuộc vào sự ổn định của đập.

- Trong trường hợp đập được xây dựng bằng bê tông như đập Ajkai Timfoldgyar thì ổn định đập hoàn toàn chủ động được đối với vấn đề sức chịu tải, vấn đề lún nền đập vấn đề trượt phẳng ở mặt tiếp xúc giữa đáy đập và đất nền đập.

- Trong trường hợp đập được xây bằng bê tông thì bằng phụ gia hoàn toàn khống chế được tính chống thấm, tính ăn mòn hoá học của NaOH đối với bê tông. Đập bảo đảm được ổn định lâu dài.

* Nhược điểm: Kinh phí xây dựng đập là rất lớn.

Khi xây dựng ở các thung lũng ở Tây Nguyên có ưu nhược điểm sau:

* Ưu điểm:

- Chọn được thung lũng rộng thuận tiện cho quá trình thi công đập.

- Chọn được các thung lũng mà ở đó chỉ cần xây một đập ngăn là có thể tạo được một hồ chứa bùn đỏ.

- Vật liệu đắp đập là đất (theo như TKV: đắp con đê ngăn) là dễ tìm kiếm và rẻ tiền, các đơn vị thi công đã có nhiều kinh nghiệm thi công đập đất.

- Kinh phí xây dựng đập nhỏ hơn rất nhiều so với đập bê tông và đập phải xây bao quanh hồ ở đồng bằng.

*Nhược điểm:

- Vì hồ chứa ở thung lũng nên là nơi tụ thuỷ, nước mưa từ xung quanh đổ về. Dù có hệ thống mương thu nước mặt quanh hồ thì cũng không bảo đảm chắc chắn là với những trận mưa lớn nước không tràn qua mương để chảy vào hồ bùn đỏ. Hơn nữa, mương cần được xây dựng vững chãi để không bị vỡ khi vận hành và để mương làm việc hiệu quả thì sau mỗi trận mưa phải duy tu, nạo vét đất đá lắng đọng ở mương. Đặc biệt, khi lượng mưa ở Tây Nguyên rất lớn (2.000-2.500 mm/năm), rất tập trung (trong vòng vài ba tháng). Hơn nữa, do biến đổi khí hậu, tính cực đoan của diễn biến thời tiết có xu hướng gia tăng và đôi khi không theo quy luật. Do đó rủi ro nước tràn qua đập của hồ chứa bùn đỏ là một mối đe dọa thường trực và không loại trừ những tình huống bất khả kháng.

- Đất ở đáy hồ là đất bazal, hệ số thấm khoảng 10^–7-10^–8 m/s, là loại đất ít thấm. Bề dày của lớp đất này thường không lớn, ở sườn và đáy thung lũng thường dao động trong khoảng từ 5 m đến 10 m. Dưới nó thường là lớp đá nứt nẻ, phong hoá mạnh, hệ số thấm thường là 10^–4 đến 10^–3m/s, thuộc loại đá thấm nước mạnh. Vì hệ số thấm của đất nguyên trạng ở Tây Nguyên là khá lớn nên lớp đất đáy hồ này chỉ có thể đạt được hệ số thấm vào khoảng10^-8 m/s. Điều đó có nghĩa là, so với thời gian tồn tại lâu dài của hồ chứa bùn đỏ thì các lớp đất sét gia cường chống thấm này không có giá trị gì. Để nước thải độc hại trong hồ không bị ngấm ra môi trường xung quanh, sự ổn định của lớp geomembrane [2,3] [vải chống thấm] là yếu tố quyết định. Để đánh giá độ bền của geomembrane với hóa chất, người ta thực hiện các phép thử [4, 6]. Thông thường, thời gian thử chỉ kéo dài từ 30 ngày đến 60 ngày. Những kết quả đó chỉ phù hợp khi dùng các loại vải này làm vật liệu chống thấm trong thời gian ngắn hạn. Theo [7] nó chỉ có thể tồn tại được trong vòng 50-100 năm. Lời khuyên từ những nghiên cứu của một số tác giả [4, 6] là với môi trường chứa NaOH không nên sử dụng geomembrane hoặc chỉ sử dụng trong một thời gian ngắn. Nếu thời gian tương tác giữa các chất ăn mòn với geomembrane kéo dài, thì geomembrane sẽ bị phá hủy do ăn mòn hóa học. Nghiên cứu cho thấy sức chịu kéo của geomembrane chỉ còn 60% sau 1 năm tác dụng với NaOH [6]. Điều đó cho thấy bài toán chống thấm triệt để cho hồ chứa bùn đỏ là không khả thi. Một khi nước từ hồ chứa bùn đỏ đã thấm xuống đến tầng đá phong hoá nứt nẻ thì tầng chứa nước khe nứt, nguồn cấp nước sinh hoạt chủ yếu cho Tây Nguyên sẽ bị ô nhiễm.

- Khi xây hồ ở thung lũng, dưới tác dụng của nước mặt trong hồ, các quá trình địa chất động lực công trình như hiện tượng tái tạo bờ hồ, trượt lở, phong hoá có điều kiện để phát sinh, phát triển mạnh mẽ hơn.

- Thung lũng được hình thành do hoạt động của các quá trình địa chất, như bào mòn, rãnh xói, mương xói, thường liên quan tới những đới nứt nẻ phong hoá mạnh. Do đó, trong nhiều trường hợp, thung lũng không những chỉ là nơi tụ thuỷ của dòng nước mặt mà còn là nơi tụ thuỷ của nước ngầm. Do vậy, nguy cơ lan truyền ô nhiễm tăng lên gấp bội so với ở đồng bằng.

- Để ngăn bùn đỏ chảy về phía hạ lưu, cần xây dựng đập chắn bùn. Vật liệu đắp đập mà TKV sử dùng là đất được lấy tại địa phương. Nhờ thiết bị đầm, lớp đất này được đầm chặt đến mức độ cần thiết do thiết kế đưa ra, sao cho đất sau khi đầm có được các thông số bền, biến dạng và thấm cần thiết. Các thông số này cùng với kích thước mặt cắt ngang sẽ bảo đảm cho đập không bị mất ổn định đối với sạt, trượt và thấm. Tuy nhiên, ở các công trình thủy lợi các sự cố trên vẫn rất thường xảy ra (trung bình cứ trong 3 đập thì 1 đập có sự cố). Đối với đập chứa bùn đỏ, khi chịu tác dụng của nước chứa NaOH từ hồ thấm vào, đất trong nền và thân đập sẽ dần dần bi phá hoại kết cấu, tính chống thấm giảm đi, tính nén lún tăng lên, độ bền chống cắt giảm đi. Nguy cơ phá huỷ do thấm, nứt, trượt, vỡ đập là rất cao.

3. Nhận xét bước đầu về nguyên nhân vỡ đập Ajkai Timfoldgyar ở Hungary

Để phân tích nguyên nhân vỡ đập Ajkai Timfoldgyar, chúng tôi xin giới thiệu một số hình được [8] và một số trang mạng truyền tải như sau:

Hình 1. Tháng 6 năm 2010 xuất hiện 1 vết rò nhỏ ở hạ lưu đập	Hình 2. Tháng 10 năm 2010: điểm rò đã phát triển. Bùn đã chảy ngầm từ thượng lưu xuống hạ lưu qua nền đập. Đập bị nứt ngang và dọc.
Hình 3. Đường ống trên đỉnh đập bị kéo căng về phía bên phải. Trụ đỡ đường ống bị đứt, đường ống bị vỡ. Bùn đỏ tràn ra mặt đập.	Hình 4. Đập bị kéo căng và đứt vỡ ở góc nối của hai cạnh

Từ các hình trên có thể nhận xét như sau:

Từ điểm rò nhỏ bé không được xử lý (hoặc là không xử lý được?), qua 4 tháng, dòng thấm đã tạo nên hang ngầm xuyên từ thượng lưu xuống hạ lưu làm nền đập bị rỗng. Do không có chân đỡ, đập bị võng xuống, kéo căng và nứt. Khi bị kéo, tại điểm góc nối giữa hai cạnh của hồ chứa, cạnh vuông góc với nó làm việc như một ngàm cứng. Do điểm võng này nằm không xa ngàm, nơi tập trung ứng suất kéo lớn nhất, đập bị đứt ở gần ngàm. Nguyên nhân gây vỡ đập hoàn toàn do rò rỉ từ thượng lưu xuống hạ lưu khi kết cấu chống thấm đã bị xuyên thủng.

4. Kết luận

Từ một số phân tích nêu trên có thể nhận xét như sau:

1. Hồ chứa bùn đỏ ở Tây Nguyên làm việc trong điều kiện bất lợi hơn rất nhiều so với hồ chứa bùn đỏ ở đồng bằng, cụ thể là hồ Ajkai Timfoldgyar.

2. Khả năng nước tràn qua đập, gây xói lở, sạt trượt mái đâp hạ lưu, thậm chí vỡ đập chắn của hồ chứa bùn đỏ ở Tây Nguyên là nguy cơ hiện hữu thường trực trong mùa mưa. Từ đó nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm do tràn hồ chứa bùn đỏ là khó tránh khỏi trong suốt quá trình tồn tại vĩnh viễn của hồ. Sự cố này là do tai biến thiên nhiên gây ra, sức người là quá nhỏ bé, nhiều trường hợp là không thể chống đỡ được (lũ miền Trung là một ví dụ).

3. Sử dụng vải chống thấm geomembrane chỉ có thể làm chậm quá trình thấm nước chứa NaOH từ hồ chứa bùn đỏ chứ không thể ngăn cản được dòng thấm này (từ đáy hồ, nền đập, vai đập và thân đập) vào vùng đất lân cận. Do đó, hiểm họa ô nhiễm môi trường đất - nước, môi trường sống ở vùng xung quanh và vùng hạ lưu hồ chứa bùn đỏ là hiện hữu. Khoa học hiện nay chưa thể khắc phục được.

4. Do tác dụng của NaOH, đất ở nền và thân đập sẽ có hệ số thấm lớn hơn dễ tạo nên các dòng ngầm như ở Ajkai Timfoldgyar làm cho đập dễ bị lún nứt, sức kháng cắt giảm đi làm cho đập dễ bị nứt trượt, là tiền đề dẫn đến vỡ đập.

5. Thảm hoạ Ajkai Timfoldgyar xảy ra không phải do động đất, do sức chịu tải của nền hoặc độ bền của đập bê tông, mà do biến dạng thấm. Dạng phá huỷ này cần được nghiên cứu bằng thực nghiệm, các mô hình tính toán hiện đại hiện chưa thể mô phỏng được một cách chính xác, đủ độ tin cậy cơ chế phá huỷ này.

6. Chẳng nhẽ thế hệ chúng ta tham lam và thiếu trách nhiệm đến nỗi chỉ vì tiền mà chất chứa lên đầu cháu chắt của mình những hiểm hoạ khôn lường?

Tài liệu nguồn

1. Bauxite Vietnam

2. Chemical resistance guide for Carlisle polypropylene geomembrane systems (9/03F)

3. Coppinger J. Use of bituminous geomembrane to reduce environmental impact of road in aquifer

4. Harry M. Freement Eugene; F. Harric. Hazardous waste remediation Innovative treatment technologies

5. Riton PPS Chemical property

6. Rollin A. Rigo J.M. Geomembranes indentification and performance testing

7. Tailings manegement. http://www.mongolianriverresources.mn/DOWNLOAD/AusGov/ TailingsManagement.pdf

8. http://poleshift.ning.com/The causes of failure of the Ajkai Timfoldgyar / Kolontar tailings dam