Nguyên nhân dẫn tới sự cố vỡ đường ống dẫn nước
Đường ống dẫn nước Sông Đà về Hà Nội đã vỡ 6 lần, sau những trận mưa lớn toàn vùng (riêng đoạn đường ống qua xã Ngọc Liệp, huyện Quốc Oai bị vỡ 3 lần). Theo thiết kế ban đầu, đây là đường ống dẫn nước có áp 8at – tương đương 80 mét cột nước. Sau sự cố, để dẫn nước trở lại, hệ thống đường ống đã được xử lý bằng 2 biện pháp:
Biện pháp 1: Vừa thay thế phục hồi đoạn ống bị hư hỏng, vừa gia cố nền đất và cải tạo môi trường cục bộ quanh chỗ đã xảy ra sự cố.
Biện pháp 2: Bổ sung các van không chế áp lực 2at – tương đương 20 mét cột nước.
Đây là một thất bại lớn về mặt kinh tế kỹ thuật của các nhà thiết kế, thi công và quản lý khai thác hệ thống đường ống này.
Đã có nhiều người tìm hiểu và đưa ra ý kiến riêng về nguyên nhân các sự cố này. Đa số trong đó xác định nguyên nhân chính là do nền đất yếu, một số khác cho là có sự tham gia của yếu tố chất lượng đường ống chưa hợp lý. Bên cạnh đó, một số rất ít người khẳng định nguyên nhân chỉ do nước va và để hệ thống đường ống làm việc bình thường.
Họ cho rằng chỉ cần bổ sung các van xả áp - RAF chống nước va – một loại van thủy lực hoạt động dựa trên áp lực thủy động của đường ống chính và được kiểm soát bởi cụm van điều khiển (pilot).
Thực ra, có rất nhiều nguyên nhân khác nhau có thể cùng góp phần dẫn tới sự cố vỡ đường ống dẫn nước như thế.
Sau khi loại trừ các nguyên nhân do phá hoại, chúng ta có thể đưa ra nguyên nhân chung của các sự cố này là thiết kế chưa phù hợp với điều kiện làm việc của hệ thống đường ống dẫn nước áp lực, có hai yếu tố đặc biệt sau đây:
Yếu tố 1: Đường áp lực đầu của hệ thống đường dẫn nước có áp, có độ dài lớn trên bình đồ (khoảng 30 km) nhưng chưa có các bộ điều áp (cản dịu) trung gian.
Yếu tố 2: Đặc tính địa chất và địa chất thủy văn không đồng đều theo chiều dài và theo mùa, nhưng áp lực đầu chưa được xử lý bổ trợ để phòng ngừa.
Trên thực tế, để dẫn tới các sự cố vỡ đường ống vừa qua, yếu tố một đóng vai trò chủ đạo, còn yếu tố 2 chỉ có vai trò phối hợp tạo thành những hoàn cảnh bất lợi nào đó, làm tăng tính nguy hại của yếu tố 1.
Có hai cách, hoặc là làm cho tải trọng động cục bộ tăng lên vượt quá khả năng bền ổn định của đường ống. Hoặc là làm cho khả năng bền ổn định cục bộ của mối nối đường ống giảm xuống dưới mức cần thiết.
Nhưng đến nay, các nhà thiết kế, thi công và quản lý khai thác công trình vẫn chưa có đánh giá đầy đủ về ảnh hưởng của các nguyên nhân chính đó, cho nên họ vẫn chưa đưa ra được biện pháp xử lý các sự cố vỡ đường ống một cách căn cơ, bền vững.
Trên thực tế, trong 2 biện pháp đã áp dụng để xử lý sự cố vỡ đường ống nói trên. Biện pháp đầu chỉ có ý nghĩa cục bộ, còn biện pháp thứ hai lại gây giảm lưu lượng dòng chảy, không đáp ứng được nhiệm vụ thiết kế đặt ra. Vì thế, đã gây hậu quả thiếu nước nghiêm trọng, ngay đầu mùa hè năm 2014, tại một số khu vực của Hà Nội mà theo thiết kế là do hệ thống này cung cấp nước.
Dưới đây, chúng ta sẽ đi sâu phân tích ảnh hưởng của các yếu tố, điều kiện làm việc. Chúng cần được quan tâm đặc biệt, cùng với các phương án thiết kế cần thiết để phòng ngừa các tác hại.
Tác hại của nước va và độ dài của hệ thống đường ống
Với các đường ống ngắn không phân nhánh, việc dẫn động thủy năng có áp không quá khó so với việc dẫn động thủy năng không áp.
Nhưng với các hệ thống đường ống lớn, có áp, có độ dài lớn đáng kể (nhất là các hệ thống đường ống có nhánh chính đầu nguồn dài. Tiếp sau đó, có nhiều nhánh phân phối trung chuyển và có thể thay đổi lưu lượng, cùng với áp lực một cách thất thường), việc dẫn động thủy năng là rất phức tạp.
Khi đó, hệ thống dẫn động này không chỉ có các đường ống, các cửa vào, cửa ra, tháp hoặc ống xả khí tại các điểm chuyển áp, các nút phân nhánh, các van phân phối và các van an toàn...
Cùng lúc đó, còn phải có các tháp hoặc buồng điều áp trung gian, với nguyên lý làm việc thích hợp, bố trí ở khoảng giữa của các phân đoạn đường ống dẫn nước có áp lớn, có bình đồ trục dọc tương đối dài (chủ yếu cho các hệ thống đường ống nhánh chính đầu nguồn dài).
Hệ thống ống dẫn nước Sông Đà về Hà Nội là hệ thống dẫn động thủy năng vừa có áp, vừa có nhánh chính rất dài, lại vừa có phân lưu không tỷ lệ, nhưng các nhà thiết kế chưa đề cập đến ảnh hưởng bất lợi của hiện tượng “nước va” phối hợp với các yếu tố bất lợi khác, trong đó đáng kể nhất là:
Thứ nhất, tính có áp của dòng thủy năng, cùng với sự thay đổi thất thường, khi thay đổi dòng thủy năng đầu vào và từng đầu ra.
Thứ hai, độ dài đường ống cùng với sự không đồng đều của nền móng, chất lượng đường ống, chất lượng các mối nối và các tải trọng động theo từng điểm của đường ống... Đến nỗi, có phân đoạn đường ống cả trục dọc và các mối nối có thể cùng phải nhận những biến đổi bất thường có hại đáng kể.
Tuy các nhà thiết kế, thi công và quản lý công trình đã chú ý đến hiện tượng nước va xảy ra trong đường ống khi thay đổi đột ngột công suất của dòng chảy có áp trong đó (điển hình như khi đóng mở cửa van cấp nước đầu nguồn và các van phân phối cho các nhánh đường ống dẫn nước trung gian), nhưng để phòng ngừa tác hại của các hiện tượng này, hệ thống đường ống vẫn chưa có thiết kế cải tạo cho phù hợp lâu dài.
Việc khống chế áp lực dòng chảy trong ống bằng các van xả khống chế áp lực, chắc chắn không phải là biện pháp căn cơ. Một mặt, vì dòng thủy năng trong đường ống vẫn có áp, cho nên tác hại của hiện tượng nước va vẫn chưa bị loại trừ.
Mặt khác, chính sự khống chế áp lực dòng chảy làm cho lưu lượng dòng chảy giảm xuống dưới mức yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế cung cấp nước đã đặt ra.
Hậu quả là ngay đầu mùa hè năm 2014 này, nhiều địa bàn của Hà Nội trong miền cấp nước của hệ thống đường ống này đã giảm lưu lượng, thậm chí tạm thời không được cung cấp nước thường xuyên, trong khi chưa khai thác hết công suất thiết kế của hệ thống đường ống.
Từ thực tế, chúng ta thấy nổi bật khuyết điểm mà cả các nhà thiết kế, thi công và quản lý khai thác công trình đường dẫn nước sinh hoạt Sông Đà về Hà Nội đã mắc phải là chưa thấy hết tính khác biệt giữa đường ống dẫn nước sinh hoạt có áp, lại có độ dài đáng kể (khoảng 30 km) này với các đường ống dẫn nước có áp sinh hoạt thông thường trong thành phố của ta hiện nay.
Trong đó, điển hình là sự biến đổi lớn của tính chất nền đất và tác hại của hiện tượng nước va đối với đường ống dẫn nước có độ dài trên bình đồ khá lớn, với áp lực nước đáng kể, sử dụng ống thành mỏng, lắp nối theo đầu pát.
Đây là loại đường ống chỉ cho phép nhận các chuyển vị không đáng kể, đồng thời, chỉ có dự trữ bền với những tải trọng động không lớn của áp lực nước va khi dòng chảy bình thường bên trong đường ống chỉ có áp lực không cao. Độ dài trên bình đồ của đường ống không quá dài, đến mức các bộ điều áp đầu và cuối đã đủ điều áp đảm bảo an toàn cho cả các phân đoạn đường ống trung gian.
Rõ ràng rằng, trong đường ống dẫn nước có áp, dù áp lực lớn hay nhỏ, khi dòng thủy năng có sự thay đổi lưu lượng đột ngột (nhất là khi đóng và mở các van cấp, cũng như các van tiêu thụ), hiện tượng nước va đều xảy ra.
Khi đó, để bảo vệ hệ thống đường ống khỏi tác hại của hiện tượng nước va một cách hiệu quả, trong hệ thống rất cần bổ sung các bộ điều áp tương ứng thích hợp. Mỗi bộ điều áp trong đó có nhiệm vụ cản dịu sự thay đổi dao động đột ngột của dòng có áp bên trong bộ phận tuyến năng lượng (đường ống có áp) lân cận.
Với các hệ thống đường ống dẫn nước có áp ngắn, thông thường chỉ cần có các bộ điều áp đầu và cuối - lân cận các cửa van cấp và tiêu thụ (đơn giản nhất là các ống hoặc tháp điều áp - xả air. Cao cấp hơn là các buồng điều áp phân tầng, buồng điều áp nén…).
Với các hệ thống đường ống dẫn nước có áp tương đối dài, nhưng áp lực dòng nước thông thường không lớn, kết cấu đường ống lại có độ bền dự trữ khá cao, cũng có thể chỉ cần có các bộ điều áp đầu và cuối như với các hệ thống đường ống dẫn nước có áp ngắn.