Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hố xói sau tràn vận hành đến ổn định bể đập bê tông trọng lực

MỤC LỤC Mở đầu 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ HÌNH THÀNH HỐ XÓI SAU CÔNG TRÌNH THÁO LŨ 3 1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực 4 1.3 Nối tiếp tiêu năng hạ lưu

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HỐ XÓI SAU TRÀN VẬN HÀNH ĐẾN ỔN

ĐỊNH ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: I170

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI VIỆN NĂNG LƯỢNG

Nguyễn Danh Oanh

8765

Hà nội 12- 2010

DANH SÁCH THAM GIA THỰC HIỆN

1 Phòng Khoa học và Kỹ thuật- Viện Năng lượng

2 Phòng Thuỷ Điện- Viện Năng lượng Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Danh Oanh

MỤC LỤC

Mở đầu 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ HÌNH

THÀNH HỐ XÓI SAU CÔNG TRÌNH THÁO LŨ

3

1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực 4

1.3 Nối tiếp tiêu năng hạ lưu và tính toán xói nền đá dưới

tác dụng dòng phun

17

Chương 2 PHÂN TÍCH CÁC QUAN DIỂM TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐẬP

BÊ TÔNG TRỌNG LỰC THEO HAI HỆ THỐNG TIÊU

2.3 Phương pháp cân bằng giới hạn (Mỹ) 41

2.4 Phân tích ổn định đập bê tông trọng lực theo các tiêu

chuẩn thiết kế

46

Chương 3 XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TRƯỢT

SÂU CỦA ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC KHI CÓ XÉT ĐẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÁT TRIỂN HỐ XÓI

49

3.1 Xây dựng công nghệ tính ổn định trượt sâu cho đập bê

tông trọng lực

49

3.2 Kết quả tính toán ổn định trượt sâu 51

3.3 Ứng dụng tính ổn định cho công trình tháo lũ Hua Na 55

MỞ ĐẦU

Việt Nam có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại trong đó có khoảng gần 500 đập lớn, là nước có nhiều đập cao trên thế giới Tuy nhiên sự phân bố về hình loại đập theo loại vật liệu không đều nhau Trong số các đập có chiều cao đập nhỏ hơn

100 m thì đập vật liệu địa phương chiếm tới hơn 80%, còn đối với đập có chiều cao lớn hơn 100m thì đập bê tông nói chung và đập bê tông trọng lực nói riêng lại chiếm một tỷ lệ đáng kể Hơn nữa, trong những năm gần đây, đã tiến hành xây dựng hàng loạt công trình thủy điện với chiều cao đập tương đối lớn đa phần đều sử dụng hình thức đập bê tông trọng lực

Ở các hệ thống công trình đầu mối thuỷ lợi - thuỷ điện phải bố trí công trình tháo để xả lưu lượng lũ xuống hạ lưu Một trong những vấn đề hàng đầu trong thiết kế, bố trí công trình tháo lũ là giải quyết tốt vấn đề nối tiếp thuỷ lực sau công trình xả Các dạng nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu có thể được dùng:

Tiêu năng mũi phóng –dòng phun thường thích hợp với đầu mối có cột nước cao hoặc vừa nền móng bằng đá Hình thức mặt bằng của thiết bị tiêu năng dòng phun có loại bề rộng không đổi, kiểu mở rộng và kiểu thu hẹp (bao gồm kiểu khe hẹp) Mũi hắt nước nhảy có loại liên tục, loại không liên tục và các loại mũi hắt dị hình khác v.v…

Tiêu năng chảy đáy có thể thích nghi với các loại nền đá hoặc không phải

là đá với yêu cầu đối với trạng thái dòng chảy rất nghiêm khắc Tiêu năng đáy

có bể tiêu năng, bể tường kết hợp kiểu đáy bằng, đáy nghiêng hoặc đáy mở rộng, đáy thu hẹp v.v… và các loại công trình tiêu năng phụ trợ Ngoài ra có thể dùng kiểu tiêu năng dòng mặt, hiệu quả của dạng tiêu năng này so với tiêu năng dòng đáy không kém hơn nhiều

Nếu dùng tiêu năng dòng phun cần phải nghiên cứu thận trong do dòng tia văng xa tạo mù ảnh hưởng đến các hạng mục công trình đầu mối và vận hành an toàn Nếu gặp các trường hợp sau đây cần phải dùng biện pháp thỏa đáng để xử lý Trong nền móng tồn tại mặt tầng đá có đứt gãy kéo dài đến hạ lưu và cấu tạo địa chất có khả năng bị đào xói cắt đứt, uy hiếp tới an toàn của đập và bộ phận công trình khác

− Bờ dốc có khả năng bị xói đổ, uy hiếp tới ổn định vai đập, lấp đầy kênh dẫn nước ra và dòng sông hạ lưu

− Sóng dồn và nước vật hạ lưu uy hiếp an toàn của đập chính và các bộ phận khác khác, uy hiếp tới vận hành bình thường

− Đặc biệt sự nguy hiểm đối với ổn định của đập khi tràn vận hành được bố trí

ở thân đập bê tông trọng lực hay đập vòm, hố xói nằm ngay chân đập

Đề tài này tiến hành phân tích sự ổn định của đập bê tông trọng lực khi xét đến sự ảnh hưởng của việc hình thành hố xói dưới tác dụng của dòng phun Kết quả tính toán sẽ xác định được sự khác nhau cơ bản trong hai trường hợp có xét

và không xét đến sự hình thành hố xói

Việc tính toán thiết kế hiện nay trong nước được quy định bởi các tiêu chuẩn

“Công trình thuỷ lợi- các quy định chủ yếu về thiết kế TCVN -285-2002”, tiêu chuẩn ngành 14TCN-56-88 “Thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép- tiêu chuẩn thiết kế”, một số tiêu chuẩn, quy phạm và hướng dẫn khác…

Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu, phân tích, tính toán và đánh giá ảnh hưởng về hình dạng và kích thước của hố xói hạ lưu tràn vận hành đến ổn định của đập bê tông trọng lực Kiến nghị phương pháp tính toán để có thể áp dụng thực tế ở các công trình thuỷ điện

Nội dung nghiên cứu

− Tổng quan đập bê tông trọng lực và hành thành hố xói sau công trình tháo lũ;

− Nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán ổn định khi xét đến hình dạng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP BÊ TÔNG TRỌNG LỰC VÀ HÌNH THÀNH HỐ

XÓI SAU CÔNG TRÌNH THÁO LŨ 1.1 Đập bê tông và bê tông đập trọng lực

Theo tiêu chuẩn 14-TCVN- Thiết kế đập bê tông và bê tông cốt thép-tiêu chuẩn thiết kế- năm 2003 Theo đó có thể phân loại các đập bê tông và bê tông cốt thép như hình 1 (bảng 1.1) Đối với các các công trình tháo lũ thì có thể trên nền đá hoặc trên nền không phải là đá (hình 2)

Đối tượng chính xem xét tính ổn định của đề tài nay tập trung vào loại đập tràn bê tông trọng lực trên nền đá có kết cấu tiêu năng kiểu dòng phun Tính toán

độ bền và ổn định của đập được trình bày ở mục 2.1 của chương 2 Việc tính toán

ổn định chống trượt của đập bê tông trong lực thực hiện theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn thiết kế nền của công trình thủy công Phải xét sự ổn định chống trượt ở mặt tiếp giáp giữa công trình và nền, và cả những mặt trượt tính toán khác có thể xảy ra, đi qua toàn bộ hay một phần thấp hơn đế móng đập và được xác định bằng sự có mặt của các lớp kẹp yếu, các khe nứt nghiêng rỗng, các vùng xói lở trong nền và sự bố trí các công trình nào đó ở hạ lưu đập Sư ổn định của đập phải được bảo đảm với tất cả các mặt trượt có thể có

Bảng 1.1 Phân loại đập bê tông

Hình 1.1 Phân loại đập bê tông và bê tông

a) Đập tràn mặt, b) Xả sâu, c) Kết hợp xả mặt và sâu

Hình 1.2 Các loại đập tràn bê tông chủ yếu trên nền không phải là đá

1.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực

1.2.1 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực trên thế giới

Đập trọng lực được cho là đầu tiên trên thế giới được xây dựng tại Jordan tên là đập Jawa, xây vào khoảng 3000 năm trước Công nguyên Đập Jawa có chiều cao 4,5m, dài 80m là đầu mối của một hồ chứa nước làm nhiệm vụ cung cấp nước cho khoảng 2000 người

Hình 1.3 Bản đồ hệ thống cấp nước Jawa Hình 1.4 Dấu vết của đập Jawa

Những vết tích còn lại cho thấy kết cấu bên trong đập gồm hai tường xây khép kín, giữa được đắp đất tạo thành lõi dày 2m, phía thượng lưu đập có một lớp chống thấm Đập được đảm bảo ổn định bởi khối đất đắp phía hạ lưu có hệ số mái m=1,0

Đến năm 54-64 sau Công Nguyên, ở Subiaco thuộc Italy Người ta đã cho xây một con đập cao 40m, rộng 13,5m và dài 80m Đây là đập trọng lực cao nhất trong số 3 chiếc được xây vào thời La Mã cổ đại ở Italy và tồn tại cho đến năm

1305

Vào những năm 284 sau công nguyên, có rất nhiều đập trọng lực được xây dựng ở khu vực bán đảo Iberian, Bắc Phi và Trung Đông, những người La Mã cổ đại đã tạo một hồ chứa lớn nhất thời đó tại Homs Syria Đập có chiều dài kỷ lục

là 2.000m, cao 7m và rộng 14m, dung tích hồ khoảng 90 triệu m3

Đập bê tông trọng lực được áp dụng khá rộng rãi và phổ biến những năm

30 của thế kỷ 20, nhiều đập bê tông cao đã được xây dựng với mục đích như tưới, phát điện và cấp nước sinh hoạt… và vấn đề an toàn ổn định là vấn đề quan tâm hàng đầu khi triển khai xây dựng các đập lớn

Đập Chambon được xây dựng (1929-1934) trên sông Romanche thuộc tỉnh Rhône-Aples miền Tây Nam nước Pháp có chiều cao 136,7m là bê tông trọng lực cao nhất Châu Âu trong khoảng 20 năm, bề rộng đỉnh đập là 5m, móng là 70m Thể tích đập 415.000 m3 Dung tích hồ 51 triệu m3 nước, lưu vực hồ rộng 220

km2 trong vùng Alpes nơi có phong cảnh thiên nhiên tuyệt đẹp

Đập bê tông trọng lực cao nhất là đập Grand Dixence được khởi công năm

1951 và hoàn thành vào năm 1962 tại Swiss Alps với chiều cao 285m

Tốc độ xây dựng đập trên thế giới tăng nhanh vào những năm 1950 đến

1980, thời kỳ này có khoảng 5.000 đập lớn được xây dựng trên toàn thế giới Tập

trung chủ yếu ở các nước phát triển ở khu vực Bắc Mỹ và Châu Âu, nơi có nền khoa học kỹ thuật tương đối phát triển

Hình 1.6 Mặt cắt ngang đập Chambon Hình 1.5 Đập Chambon, Pháp

Theo thống kê của hộ đập cao thế giới (ICOLD), tính đến năm 2000, trên thế giới đã có khoảng 45.000 đập lớn phân bố ở 140 nước Năm nước hàng đầu

về xây dựng đập trên thế giới bao gồm Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản Số lượng đập trong các nước này chiếm khoảng 80% tổng số các đập lớn trên thế giới Chỉ riêng Trung Quốc đã xây dựng khoảng 22.000 đập lớn trong thế kỷ 20 và tập trung vào khoảng thời gian sau năm 1949 (trước năm 1949 Trung Quốc chỉ có 22 đập lớn), các nước khác là Mỹ khoảng 6.575, Ấn độ 4.291, Nhật Bản 2.675 và Tây Ban Nha khoảng 1.196

Hiện nay đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% trong tổng số các loại đập

đã được xây dựng trên thế giới Với đập cao trên 100m, đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 30%

Trung Quốc hiện nay đang đứng đầu thế gới về số lượng đập được xây dựng Trong quá khứ, đập đã được xây dựng từ thời xa xưa ở Trung Quốc, tại tỉnh Thiểm Tây, người ta đã cho xây dựng hệ thống thủy lợi Zhibo (năm 453 tr.CN) và Dujiangyan (năm 219 tr.CN) với đập dâng bằng đá xây cao 3,8m rất nổi tiếng

Đến đầu thế kỷ XX, những đập bê tông được xây dựng ở vùng Đông Bắc cùng với những đập dâng bằng đá xây để cấp nước sinh hoạt và một số đập đất để lấy nước tưới Cho đến năm 1949 mới chỉ có 22 đập lớn được xây dựng

Hình 1.7 Tốc độ phát triển đập từ năm 1900 đến năm 2000

Hình 1.8 Tốc độ xây dựng đập trên thế giới trong thế kỷ 20

Trung Quèc 46%

T©y Ban Nha 2%

Ên §é 9%

Mü 14%

C¸c n−íc kh¸c 23%

NhËt 6%

Hình 1.9 Tỷ lệ % phân bố đập trên thế giới

Theo thống kê đến năm 1999 đã có 17.526 đập cao trong khoảng 15-30m, 4.578 đập cao trên 30m, 32 đập cao trên 100m Do số đập cao ngày càng nhiều nên vật liệu bê tông trở nên phổ biến Đập Tam Hiệp trên sông Dương Tử có thể tích gần 28 triệu m3

bê tông, tạo hồ chứa có dung tích 39,3 tỷ

m3 nước, tràn xả lũ 124.300 m3/s và nhà máy thủy điện có công suất 18,2 GW lớn nhất thế giới

Hình 1.10 Đập Tam Hiệp, sông

Dương Tử

Bảng 1.2 Một số công trình đập bê tông lớn ở Trung Quốc

TT Tên công

trình

Chiều cao đập (m)

Năm hoàn thành Vị trí

1 Yantan 111 1992 Sông Hồng,Quảng Tây

2 Shuikou 101 1993 Sông Mân,Phúc Kiến

3 Jiangya 131 1999 Sông Lâu,Hồ Nam

4 Mianhuatan 115 2001 Sông Thing,Phúc Kiến

5 Dachaoshan 111 2002 Sông Lan Thương, Vân Nam

6 Sufengying 122 2005 Sông Ô,Quý Châu

7 Baise 130 Đang xây

dựng Sông Thạch, Quảng Tây

8 Jinghong 110 Đang xây dựng Sông Lan Thương, Vân Nam

9 Pengshui 116.5 Đang xây dựng Sông Ô,Quý Châu

10 Longtan 216.5 Đang xây

dựng Sông Hồng,Quảng Tây

11 Jinanqiau 161 Đang xây

dựng Sông Kim Sa,Vân Nam

12 Gelantan 113 Đang xây dựng Sông Lý Tiên,Vân Nam

(theo Viện nghiên cứu khảo sát thiết kế Côn Minh KHIDI - Trung Quốc)

Mỹ hiện đang là nước thứ hai trên thế giới về số lượng đập (14%)

Bảng 1.3 Một số công trình đập bê tông lớn ở Mỹ STT Tên công trình Chiều cao đập (mét) Năm hoàn thành Trên sông

1 Oroville 262,4 1968 Feather, California

2 Hoover 248,8 1936 Colorado, Nevada

3 Dworshak 244,4 1973 N Fork Clearwater, Idaho

4 Glen Canyon 242,0 1964 Colorado, Arizona

5 New Bullards Bar 219,8 1969 North Yuba, California

6 Seven Oaks 215,4 1999 Santa Ana, California

7 New Melones 213,0 1979 Stanislaus, California

8 Mossyrock 206,5 1968 Cowlitz, Washington

9 Shasta 205,2 1945 Sacramento, California

10 Don Pedro 199,4 1971 Tuolumne, California

11 Hungry Horse 192,2 1953 S Fork Flathead, Montana

12 Grand Coulee 187,4 1942 Columbia, Washington

13 Ross 184,0 1949 Skagit, Washington

14 Trinity 183,4 1962 Trinity, California

15 Yellowtail 178,9 1966 Bighorn, Montana

16 Cougar 176,9 1964 S Fork McKenzie, Oregon

17 Flaming Gorge 171,1 1964 Green, Utah

Hình 1.12 Phân bố đập theo thể loại

Hình 1.13.Phân bố đập theo chiều cao Bảng 1.4 Một số đập cao nhất theo kiểu khác nhau đã xây dựng trên thế giới

Trên thế giới Ở Trung Quốc Kiểu đập Tên công

trình Tên nước

Chiều cao

Năm hoàn thành

Tên công trình

Chiều cao

Năm hoàn thành Đập bê tông

trọng lực

Grand Dixence

Đập vòm

trọng lực

Sayano Shushensk

Russia 245 1980 Longyangxia 178 1989 Đập trụ

chống

Daniel Johnson

Canda 214 1968 Hunanzhen 129 1979 Đập đá đổ

Đập đá xây

trọng lực

sagar

Nagarjuna-India 125 1974 Qunying 101 1962

Bảng 1.5 Các đập bê tông cao nhất thế giới

TT Tên công trình

Năm hoàn thành

Quốc gia Loại đập Chiều

7 Kishau 1995 India TE/ER 236

1.2.2 Tình hình xây dựng đập bê tông trọng lực ở Việt Nam

Việt Nam có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ các loại (phân bố ở 41/63 tỉnh thành nhưng tập trung chủ yếu ở miền Bắc và miền Trung) trong đó có khoảng gần 500 đập lớn đứng hàng thứ 16 trong số các nước có nhiều đập cao trên thế giới Các đập đã được xây dựng ở Việt Nam chủ yếu là đập vật liệu địa phương, đập bê tông chiếm một tỷ lệ rất nhỏ

Trước những năm 30 của thế kỷ 20, ở Việt Nam vẫn chưa có các đập bê tông trọng lực lớn Nếu có chủ yếu là các đập bê tông có chiều cao thấp (khoảng 5-10m) với kết cấu đơn giản, dễ thi công, thời điểm này hầu như công tác thiết

kế, nguyên vật liệu và chỉ đạo thi công là do các kỹ sư nước ngoài thực hiện

Các công trình bê tông xây dựng trong thời gian này hầu như bị hư hỏng đáng kể sau một thời gian vận hành, nguyên nhân một phần do công tác khảo sát chưa kỹ, một phần giải pháp công trình chưa hợp lý, công nghệ thi công chưa phù hợp với điều kiện trong nước

Trong giai đoạn từ 1930 đến 1945, một số đập bê tông trọng lực được xây dựng như đập dâng Đô Lương, Nghệ An làm nhiệm vụ cấp nước tưới, đập Đáy ở

Hà Tây với nhiệm vụ phân lũ, một số đập dâng nhỏ khác như đập dâng An Trạch

ở Quảng Nam, đập dâng Cẩm Ly ở Quảng Bình… do các kỹ sư người Pháp thực hiện, lực lượng cán bộ kỹ thuật của Việt Nam hầu như không có

Bảng 1.6 Một số đập bê tông lớn được xây dựng ở Việt Nam trước 1945

TT Tên Chiều cao đập (m) Năm xây dựng Địa điểm xây dựng

1 Cầu Sơn - 1902 Sông Thương-Bắc

Giang

2 Liễn Sơn 16,35 1914-1917 Sông Phó Đáy

3 Bái Thượng 23,50 1920 Sông Chu-Thanh Hóa

4 Thác Huống 21,13 1922-1929 Sông Cầu-Thái Nguyên

5 Đồng Cam 22,4 1925-1929 Sông Đà Rằng-Tuy

Từ năm 1975 đến nay, những nghiên cứu thiết kế và công nghệ thi công đập bê tông trên thế giới đã khá hoàn chỉnh, sự giao lưu về khoa học kỹ thuật thuận lợi nên việc tiếp thu và ứng dụng công nghệ thiết kế và thi công đập bê tông trọng lực trở nên dễ dàng Cùng với sự phát triển, hiện đại hóa của đất nước, các công trình thủy lợi, thủy điện được xây dựng ở nhiều nơi, và đập bê tông cũng trở nên khá phổ biến với quy mô và hình thức ngày càng phong phú Đầu mối các công trình như: Hòa Bình, Trị An, Hàm Thuận-Đa My, Tuyên Quang, Plêikrông, Sê San 3 và Sê San 4, Thạch Nham, Tân Giang, Lòng Sông, Nước Trong… là những đập bê tông với khối lượng hàng triệu m3 bê tông, chiều cao đập đến trên 70m, tự trong nước đảm nhận toàn bộ các khâu từ thiết kế đến thi công, hoàn thiệt bàn giao vận hành công trình Điều đó chứng tỏ rằng quy trình thiết kế, công nghệ thi công đập bê tông trọng lực ở nước ta đã được nghiên cứu, chuyển giao và phát triển mạnh, các vấn đề về tính toán ổn định công trình bê tông có chiều cao lớn đã có sự quan tâm và đạt những tiến bộ vượt bậc Tuy nhiên, trong giai đoạn thiết kế, những nghiên cứu về ổn định công trình bê tông trọng lực vẫn còn khá mới mẻ và không nhiều, tổng kết kinh nghiệm thực tiễn và ban hành các tiêu chuẩn, quy phạm riêng vẫn chưa có Vì vậy, rất cần có những tổng kết kinh nghiệm và nghiên cứu về đập BTTL ngay từ những ngày đầu áp dụng để có thể rút ra những kinh nghiệm, bài học thiết thực trong công tác thiết

kế và thi công những công trình tiếp theo áp dụng công nghệ thiết kế đập BTTL này

Trong số các đập có chiều cao đập nhỏ hơn 60m thì đập vật liệu địa phương chiếm tới hơn 80%, còn đối với đập có chiều cao lớn hơn 60m thì đập bê tông nói chung và đập bê tông trọng lực nói riêng lại chiếm một tỷ lệ đáng kể Hơn nữa, trong những năm gần đây, đã tiến hành xây dựng hàng loạt công trình thủy điện với chiều cao đập tương đối lớn đa phần đều sử dụng hình thức đập bê tông trọng lực Thống kê gần 40 đập lớn của các công trình thủy điện đã và đang xây dựng trong nước cho thấy: trước những năm 2000, các đập lớn hầu hết là đập vật liệu địa phương (đá đổ, đất đá, đất); sau năm 2000, xu thế gia tăng việc xây dựng các đập bê tông và đập đá đổ- bê tông bản mặt (bảng 1.7)

Dù kết cấu đập là loại vật liệu gì, ở tất cả các công trình thủy lợi, thủy điên đều phải bố trí đập tràn tháo lũ Hầu hết các đập tràn đề bằng vật liệu bê tông hoặc bê tông cốt thép (trừ một số đập thấp có thể bằng đá hộc, gỗ, cao su…), trong đó chủ yếu với các đập thấp là đặt trên nền không phải là đá và có giải pháp nối tiếp tiêu năng hạ lưu Thống kê một số công trình thuỷ điện đã và đang xây dựng ở nước ta, có các đặc điểm chính về bố trí tổng thể, dạng mặt cắt tràn, nối tiếp tiêu năng hạ lưu được ghi trong (bảng 1.8) Nhìn chung về hình thức là khá phong phú về bố trí cũng như ứng dụng các hình thức đập tràn

Trong các công trình tràn tháo lũ nêu trên, có 4 công trình được thiết kế tràn xả mặt kết hợp tràn xả sâu với nhiệm vụ chính là tạo dung tích phòng lũ của

hồ chứa

Bảng 1.7 Tình hình xây dựng các đập lớn thủy điện

STT Tên công trình Tỉnh Công suất Loại đập Chiều cao

Hình 1.14 Toàn cảnh đập bê tông trọng lực Tân Giang nhìn từ hạ lưu

16 Quảng Trị Quảng Trị 64 Bê tông bản mặt 75

17 Sông Tranh 2 Quảng Nam 190 RCC 95

19 An Khe-Kanak Gia Lai 173 Bê tông bản mặt 64

33 Trung Sơn Thanh Hóa 250 RCC 85

34 Sông Bung 2 Quảng Nam 100 Bê tông bản mặt 100

35 Sông Bung 4 Quảng Nam 145 RCC 110

36 Sông Bung 5 Quảng Nam 60 CVC 40

37 Lai Châu Lai Châu 1200 RCC 130

- Đập tràn thuỷ điện Hoà Bình: có 6 cửa tràn mặt xả với lưu lượng Q ≈ 24.000m3/s và 12 lỗ xả đáy xả với lưu lượng Q ≈ 13.000m3/s, tháo lưu lượng tổng cộng khoảng 36.000m3/s ứng với lũ thiết kế

- Công trình đập tràn thuỷ điện Tuyên Quang có 4 cửa tràn mặt xả có lưu lượng Q≈11.000m3/s, 8 cửa xả đáy xả lưu lượng Q≈7.000 m3/s, tháo lưu lượng tổng cộng khoảng 18.000m3/s ứng với lũ thiết kế

- Đập tràn thuỷ điện Sơn La có 6 cửa tràn mặt xả với lưu lượng Q≈24.000m3/s

và 12 lỗ xả sâu có thể xả lưu lượng Q ≈13.000m3/s, tháo lưu lượng tổng cộng khoảng 36.000m3/s ứng với lũ thiết kế

- Đập tràn thuỷ điện hồ chứa Tả Trạch gồm 5 cửa tràn mặt có thể xả được lưu lượng Q≈5700m3/s và 5 lỗ xả đáy có thể xả được lưu lượng Q≈1250m3/s, tháo lưu lượng tổng cộng khoảng 7.000m3/s ứng với lũ kiểm tra

Bảng 1.8 Các đặc điểm chính về thiết kế các đập tràn

Loại bố trí Dạng Tên công trình

Đập tràn bố trí ở lòng sông

Thác Bà, Trị An, An Khê, Sông Ba

Hạ, Bình Điền, Sông Tranh 2, Đăm Bri, Sê San 3, Sê San 4,

Bố trí tổng

thể

Đập tràn bố trí ở bên bờ

Hoà Bình, Ialy, Tuyên Quang, Cửa Đạt, Sơn La, Tả Trạch, KanaK, Sông Hinh, Quảng Trị, v.v

Tiêu năng đáy (bể,

bể tường)

Thác Bà, Trị An, An Khê, Sông Ba

Hạ, Sê san 3, Thác Mơ, BuônTauSra,

A Vương, Bình Điền, Sông Tranh 2,

Sê San 4, Đăm Bri,

Nối tiếp tiêu

năng hạ lưu

Dốc nước -mũi phun

Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang, Quảng Trị, Ialy, Cửa Đạt, Tả Trạch, Quảng Trị, KaNak, Sông Hinh,

Tràn Đỉnh rộng, Tràn bên, Ngưỡng thấp

Vĩnh Sơn, ĐaMi, Ialy, Sông Hinh, Hàm Thuận, Quảng Trị,

Creager - Ophixerop

Thác Bà, Hoa Bình, Trị An, Thác Mơ, Tuyên Quang, Sê San3, Sông Ba Hạ, BuônTauSra, Sê San 4,

Dạng mặt cắt

tràn

WES Sơn La, Cửa Đạt, Bản Chát, DamBri,

Sông Tranh 2, Tả Trạch, Kanak

1.3 Nối tiếp tiêu năng hạ lưu và tính toán xói nền đá dưới tác dụng dòng phun

Để chọn hình thức tiêu năng có thể căn cứ vào chiều cao đập và chiều dài tương đối của tuyến tràn

Bảng 1.9 Chọn sơ đồ nối tiếp thượng hạ lưu

Chiều dài tương

đối của tuyến tràn

Chiều cao đập Sơ đồ nối tiếp thượng hạ lưu

Tới 40m − Nước nhảy đáy

− Nước nhảy mặt không ngập(*) L/H>3

Trên 40m − Hất dòng chảy bằng mũi phun L/H<3 Bất kỳ − Nước nhảy đáy

(*) Khi có luận chứng về mặt thủy lực, cho phép nối tiếp thượng hạ lưu bằng nước nhảy không ngập đối với đập cao hơn 40m

Tiêu năng dòng phun là biện pháp tiêu năng vừa an toàn vừa kinh tế Nó chủ yếu nhờ vào mũi hắt khiến cho dòng chảy có tốc độ lớn vọt xa chân công trình và hoà nhập với nước ở hạ lưu của lòng sông Nền đá bền cứng có tính năng chống xói khá tốt, nên đối với đầu mối có thuỷ đầu cao, dùng tiêu năng dòng phun là thích hợp Hình thức nối tiếp tiêu năng của tràn xả lũ kiểu dòng phun ở Trung Quốc 85%, còn lại 15% đều dùng tiêu năng đáy; ở các nước khác 75% dùng kiểu dòng phun còn lại 25% dùng kiểu tiêu năng đáy hoặc mặt Ở Việt nam, đại đa số các công trình thuỷ điện loại lớn và vừa được ứng dụng tiêu năng xả lũ kiểu dòng phun Một số điểm hạn chế khi áp dụng nối tiếp hình thức tiêu năng dòng phun, cần có biện pháp xử lý thoả đáng và khi thiết kế tiêu năng nên chú ý đầy đủ các yếu tố bất lợi sau đây:

− Đối với trường hợp đập tràn xả lũ đặt cạnh đập vật liệu địa phương, cần chú ý tới dòng phun gây ra dòng chảy quẩn hạ lưu làm xói lở chân đập

− Tạo sương mù trong quá trình nước nhảy sẽ ảnh hưởng tới vận hành trạm thuỷ điện và giao thông đầu mối, khi thiết kế bố trí đầu mối cần phải tính kỹ tới điều này

− Nếu nền móng mềm yếu vài kéo dài đến tận hạ lưu và cấu tạo địa chất có khả năng bị dòng chảy có động năng cực lớn trực tiếp đào xói cắt đứt thì có thể gây nguy hại đến ổn định của nền và bờ

− Bờ dốc có khả năng bị xói sập hoặc do trạng thái dòng chảy vòng xoáy đào xói làm nguy hại tới ổn định vai đâp, bồi lấp dòng sông hạ lưu hoặc kênh dẫn phía sau hoặc tạo nên khối lượng xử lý công trình quá lớn

− Sóng vỗ do nước nhảy và dòng xoáy sẽ uy hiếp tới trạm thuỷ điện và âu thuyền hoạt động bình thường

Thực tế chế độ làm việc của các công trình xả thuộc các công trình thủy điện Việt Nam, cho thấy mặc dù vận hành chưa đạt lưu lượng thiết kế (khoảng 40-50%), nhưng ở hạ lưu công trình xả và đập dâng nước đã có những ảnh hưởng xấu làm sạt

lở chân đập hạ lưu và bờ sông (Thác Bà, Hoà Bình, Ialy v.v…) điều đó cho thấy việc tính toán và nghiên cứu về tiêu năng sau chưa thật sự hoàn chỉnh.Vấn đề đặt ra

là nếu vận hành đầy đủ 100% công suất xả thiết kế thì điều gì sẽ sảy ra đối với hạ lưu

Việc tạo ra hố xói “ nhân tạo” hoặc “thiên nhiên” cần được tính toán kỹ lưỡng cùng với việc nghiên cứu mô hình thuỷ lực (mô hình không xói và mô hình xói được) với nhiều cấp lưu lượng và nhiều chế độ mực nước thượng hạ lưu Một số điểm hạn chế khi áp dụng nối tiếp hình thức tiêu năng dòng phun, cần có biện pháp

xử lý thoả đáng và khi thiết kế tiêu năng cần chú ý đầy đủ các yếu tố bất lợi

Hiện nay trong TCVN chưa quy định về tần suất lũ cho thiết kế tiêu năng phòng xói Vấn đề chọn lưu lượng thiết kế tiêu năng phòng xói cũng cần đươc quy định rõ ràng theo mức độ ảnh hưởng đến an toàn công trình chính và hạ lưu Đây là vấn đề có ý nghĩa về cả kỹ thuật và kinh tế Theo chúng tôi có thể tham khảo các kinh nghiệm của Trung Quốc để áp dụng

Thực tế vận hành các công trình tràn mới chỉ khoảng 1/2 đến 1/3 khả năng xả theo thiết kế cho thấy, nhìn chung các thiết kế nối tiếp tiêu hạ lưu và tiêu năng tương đối phù hợp Công trình tràn vận hành an toàn, có một số sự cố nhỏ nhưng chưa có ảnh hưởng lớn đến tuyến áp lực và hạ lưu Trong các công trình đã xây dựng, các thuỷ điện Trị An, Thác Mơ, Vĩnh Sơn, Đrâyhlinh, phía hạ lưu cận công trình không có những nguy hiểm đe dọa Hai công trình Trị An và Thác Mơ có công

trình nối tiếp theo kiểu cổ điển bể tiêu năng sâu, chế độ nối tiếp thuỷ lực thượng hạ lưu rõ ràng

Công trình Thác Bà tuy có bể tiêu năng nhưng về cơ bản là không đủ chiều dài, mũi phóng của khoảng giữa lại phóng đúng vào sân sau nên chế độ tiêu năng hết sức phức tạp Chỉ qua lũ năm 1971 trong lúc thi công cũng như xả lưu lượng qua tràn năm 1990 đủ gây hư hại cho phía sau sân sau, năm 2000 đã phải tiến hành sửa chữa Nếu xả lũ thường xuyên hơn như các công trình điều tiết mùa (Hoà Bình, Trị An…) thì chắc công trình đã hư hỏng nhiều hơn, nặng hơn Quan niệm cho rằng việc đan chéo các dòng chảy khi phóng ra sẽ có hiệu quả tiêu năng lớn nên làm bể tiêu năng quá ngắn, khoang tràn giữa lại cho phóng ra sân sau thì dù là đá xốp cũng

đã bị trôi, thậm trí dù là bê tông cốt thép với động năng ấy cũng không chịu nổi Công trình thủy điện Hoà Bình, nối tiếp hạ lưu có dạng dốc nước với mũi phun, hố xói được “nổ mìn trước” nhưng không bốc dỡ sẽ hình thành dần trong quá trình xả lũ Thực tế hố xói hiện nay được đào sâu khoảng 15m với lưu lượng xả tối

đa khoảng 11.000 m3/s

Đập Hoà Bình, đã trên 10 năm vận hành, qua các mùa lũ, công tác gia cố, xử

lý chân đập đều phải thực hiện thường xuyên Hư hỏng nhiều nhất và phải chi phí tốn kém nhiều tập trung vào những năm đầu (1990,1991); các năm ấy thực tế lưu lượng xả mới chỉ bằng khoảng 30% lưu lượng thiết kế Nếu như xẩy ra lưu lượng lớn hơn thì chưa thể dự báo được sự phá hoại của nó đến mức độ nào (chưa nói đến

xả lưu lượng thiết kế) Các giải pháp thiết kế để gia cố những năm qua nhằm mục đích chống với lũ thiết kế, nhưng thực tế như đã nói trên, chỉ mới xảy ra lưu lượng khoảng 30% thiết kế mà khối lượng xử lý đến con số không nhỏ.Về nghiên cứu thuỷ lực công trình xả lũ, cơ quan thiết kế đã thành công khi áp dụng lý thuyết điều khiển dòng xiết để bố trí kết cấu dốc nước có độ dốc 2 chiều, phân tán lưu lượng đơn vị từ 380m3/s/m tại đầu dốc thành 268m3/s/m ở mặt cắt cuối dốc Trong điều kiện cụ thể này nếu không áp dụng giải pháp trên thì tình hình nối tiếp còn gặp nhiều phức tạp hơn

Công trình Yali có tuyến xả ở đập tràn gần như thẳng góc với sông, làm giảm khối lượng đào hố xói và do hiệu quả tiêu năng là tối đa ở vùng dòng phóng ra giữa sông, sẽ làm cho công trình chuyển tiếp làm việc ổn định hơn, ít uy hiếp đến chân dốc nước và phía bên kia bờ (có đường ở cao độ cao) cũng như đất đá “ lấp lại” ở kênh ra của nhà máy thuỷ điện Yali nằm ở hạ lưu Đây cũng là vấn đề phức tạp, cần rút kinh nghiệm về tầm quan trọng của công trình nối tiếp thuỷ lực thượng hạ lưu Nhưng quá trình thi công đã bị sạt lở phần chân khay cuối tràn do nền bị xói

1.3.2 Dự báo chiều sâu xói

Sự an toàn của đập khi xảy ra lũ phải được bảo đảm bởi khả năng tháo của các công trình Công trình tháo lũ được thiết kế cho trận lũ theo tiêu chuẩn khác nhau của từng nước; hơn nữa, đập phải không bị nguy hiểm khi gặp các trận lũ cao hơn, gọi là lũ kiểm tra, có thể là lũ nằm giữa 10000 năm và PMF Tại vùng ảnh hưởng của dòng phun năng lượng dư thừa lớn, lòng sông sẽ bị xói, có thể đạt đến một độ

Hoα

Hình 1.16 Kết quả tính và thí nghiệm độ sâu xói

của dòng phun vận tốc cao Nếu tràn có mũi hắt với các cửa van đóng mở, lưu lượng đơn vị nằm trong khoảng từ 200÷300m3/sm không còn hiếm gặp nữa Đối với tràn ở đập vòm thì lưu lượng đơn vị thiết kế ngày nay lên tới 70m3/sm và tới 120m3/sm, tràn qua lỗ xả ở cao trình thấp có thể xả đến 300÷400m3/sm

Các phương pháp hiện nay dùng để tính xói được nhóm lại như sau (Bollaert & Schleiss 2002 [1]): công thức kinh nghiệm do quan trắc trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường; công thức kết hợp việc quan trắc trong phòng thí nghiệm, ngoài hiện trường với việc phân tích bản chất vật lý; công thức dựa vào các giá trị áp lực dao động tại đáy hố xói, sự sai khác giữa áp lực tức thời và

áp lực trung bình theo thời gian có xem xét đặc điểm của đá, dựa trên các áp lực nước trong các khe nứt đá

Quá trình xói phức tạp đã được giản hoá đi bằng các công thức kinh nghiệm với một vài thông số Chiều sâu xói cuối cùng Y được đo từ mực nước hạ lưu (hình 1.3) được xem là hàm số của: lưu lượng đơn vị q(m2/s), chiều cao cột nước rơi của dòng phun H(m), độ sâu mực nước hạ lưu hh(m), kích cỡ hoặc đường kính viên đá d (m), chiều sâu xói tính từ đáy sông ban đầu tk(m) Hầu hết các công thức được viết dưới dạng:

z

m v

w x y h

k

dg

hqHKht

Y= + = (1.1)

Hiện nay, có thể thống kê được khoảng 40 công thức tính toán xói hiện hành Số lượng các công thức tương đối nhiều; các yếu tố ảnh hưởng được các học giả xem xét, điều kiện thực nghiệm và áp dụng thực tế cũng rất khác nhau Với số lượng công thức nhiều như trên đã nêu, việc chọn công thức dự tính xói là khó khăn và cần có sự lựa chọn rất cẩn thận các phương trình thích hợp được áp dụng cho mỗi một công trình

Để tránh phá hoại do xói, hai phương pháp sau đây là có thể: Một là tránh hình thành xói một cách toàn diện lan rộng, hai là giới hạn vị trí và phạm vi xói

Do các công trình kiểm soát xói là khá đắt, thường chỉ phương pháp thứ hai là thường khả thi về kinh tế Phạm vi xói bị chi phối bởi các biện pháp sau: Giới hạn lưu lượng đơn vị qua tràn, hoà khí và làm phân tán dòng phun, tăng độ sâu mực nước hạ lưu bằng cách xây đập ở hạ lưu, đào trước hố xói, gia cố hố xói bằng bê tông

Nghiên cứu mô hình thủy lực vẫn là phương pháp tiếp cận tốt nhất cho xói nền đá Có thể có một vài phương pháp mô hình hoá nền đá sau đây: Một là mô hình hóa nền đá bởi vật liệu rời, với kích thước viên đá rời có đường kính trong

mô hình được tính đổi từ kích thước khối đá ở nguyên hình theo tỉ lệ hình học hoặc được qui đổi từ vận tốc xói cho phép của nền đá Hai là mô hình hóa nền đá bởi vật liệu dính, với kích thước các viên đá như trong mô hình rời, được kết hợp với chất kết dính kết như xi măng, thạch cao, bentonit, bột sắt… Ba là mô hình hóa nền đá bởi vật liệu thành khối xếp lớp kể đến thớ nghiêng của lớp đá có chất kết dính Thông thường thì phương pháp (1), (2) hoặc kết hợp (1) và (2) được sử dụng nhiều nhất do đảm bảo độ tin cậy và dễ thực hiện trong thực tế

Trong [4], đã tiến hành thí nghiệm xói nền đá hạ lưu dưới tác dụng của dòng phun với khoảng 50 trường hợp khác nhau, với sự thay đổi các thông số lưu lượng đơn vị q (m2/s), chiều cao cột nước rơi của dòng phun H(m), độ sâu mực nước hạ lưu hh.v.v.v Kết quả đo độ xâu xói cuối cùng được ghi ở bảng 3 Phân tích kết quả cho thấy, độ sâu xói tăng khi lưu lượng đơn vị tăng hoặc độ chênh mức nước thượng hạ lưu tăng, phản ánh đúng các quy luật đã được công bố Tuy vậy, giá trị thí nghiệm đo được tương đối phân tán Kết quả được so sánh với công thức tính độ sâu xói, hiện nay được sử dụng khá phổ biến ở Trung Quốc, có dạng:

Y = Kq0,5H0,25 (1.2)

Đa số các mẫu đo có giá trị đo sai khác với tính toán khoảng 10%, một số mẫu có sai số lớn hơn từ 20-30% Điều đó có thể lý giải sự phức tạp của nghiên cứu, sai số của mô hình, sai số đo và kích cỡ vật liệu, điều kiện thí nghiệm,…, mặt khác công thức (1.2) cũng là gần đúng được xây dựng từ kết quả thực nghiệm

Công thức dự tính xói là khá nhiều, kết quả tính toán của các công thức thông thường lại rất sai khác nhau Nên lựa chọn các công thức đơn giản, dễ tính toán và tránh phải xác định các yếu tố trung gian mà nó đôi khi khó xác định và gặp phải sai số lớn Lựa chọn cẩn thận công thức thích hợp áp dụng cho mỗi một công trình cụ thể để phản ánh được các yếu tố cơ bản về thuỷ lực cũng như đặc điểm của nền đá, và những ảnh hưởng đến xói nền đá Có thể so sánh kết quả tính toán của một vài công thức khác nhau để quyết định Theo nghiên cứu, cho thấy việc sử dụng công thức (1.2)[3], để tính toán dự báo chiều sâu hố xói là có thể chấp nhận được Đôi khi các phép đo chiều sâu xói nguyên mẫu của một đập đang tồn tại với điều kiện địa chất tương tự và dự đoán cho công trình cần tính là rất hiệu quả

Để kiểm tra và dò tìm thông số cho các mô hình xói phức tạp, các dữ liệu quan trắc xói nguyên mẫu chi tiết về sự phát triển xói với đầy đủ dữ liệu về lưu

lượng, mức nước là cần thiết Về nguyên tắc, những quan trắc này được dùng cho việc đánh giá sự an toàn liên tục của một đập và cho phép dự báo sự phát triển của xói Từ quan sát nguyên mẫu có thể xây dựng được công thức dự báo tốt nhất chiều sâu xói và ứng dụng cho các công trình có điều kiện địa chất tương tự

1.3.3 Lựa chọn công thức tính xói

a) Chiều sâu xói

Chiều sâu xói nền đá hạ lưu theo công thức 1.2, hệ số nền đá bảng 1.9

Bảng 1.9.Hệ số xói K của nền đá (trong công thức 4)

Loại xói Khó Có thể xói Dễ xói hơn Dễ xói

Phát triển quan hệ đến 2-3 nhóm liên kết (khe nứt), dạng

X, thông thường

Phát triển trên 3 liên kết (khe nứt), dạng

X hoặc ‘*’ và đều nhau

Sự phát triển mạnh, trên 3 chỗ nối (nứt), đặc tính của đá bị cắt vụn khối đá

Nguyên thể Khối đồ sộ Khối lớn Khối đá lớn và bị

vò nhàu

Đá bị vò nhàu Loại cấu trúc Hoàn chỉnh Tảng Khối lớn và bị vò

Chủ yếu là cấu trúc hoàn thiện, phần lớn là đóng

và vài sợi nứt rất nhỏ, với sự rỉ qua rất ít và kết dính tốt

Chủ yếu là cấu trúc hoặc phong hoá, rạn nứt, vài chỗ nứt, sự

rò rỉ bởi vùng đất sét cục bộ và chất dính kém

Chủ yếu là cấu trúc hoặc phong hoá, rạn nứt, rò rỉ bởi đất sét ở vùng cục bộ và chất dính xấu

2

Trong đó:

L’- Khoảng cách từ mép ngoài mũi phun đến điểm sâu nhất hố xói (m);

L- Khoảng cách dòng phun theo phương ngang từ mép ngoài mũi hắt đến

điểm chạm nền hạ lưu (m);

∆L- Khoảng cách theo phương ngang từ điểm dòng phun chạm nền sông đến điểm sâu nhaat của hố xói (m)

v1- Vận tốc trung bình dòng chảy tại mũi hắt m/s, tính bằng 1,1 lần lưu tốc trung bình tại mũi hắt v; v1 =1.1.v=1.1.ϕ 2gH0 (nếu máng xả tương đối dài có thể căn cứ độ sâu nước tại vị trí này tím lưu tốc trung bình mặt cắt v của nó);

Y- Độ sâu đệm nước lớn nhất của hố xói, từ mặt nước tới đáy hố, m; Y=tk+hh, hh-

độ sâu mức nước hạ lưu;

tk- Độ sâu hố xói, từ đáy sông tới điểm sâu nhất hố xói, m;

β- Góc nhập dòng phun với hạ lưu theo phương ngang

θ +

cos v

gh 2 tan

Tan , h2- chênh lệch cao độ đỉnh mũi hất và mực nước hạ lưu, m;

c) Áp dụng mạch động

Trị số tải trọng áp lực mạch động tại các vị trí máng xả, đoạn cung ngược mũi hắt, tràn kiểu đỉnh trạm thuỷ điện, sân sau bể tiêu năng v.v… có thể tính toán theo công thức (1.4)

=+ α ρ

−

g2

vkP

2

m a

Trong đó:

Pm- Tải trọng áp lực mạch động tác dụng lên bề mặt vật kiến trúc theo phương pháp tuyến

v- Lưu tôc trung bình của mặt cắt tính toán, m/s, bể tiêu năng lấy lưu tốc trung bình thu hẹp

ρ- Mật độ của nước kg/m3

αm- Hệ số tải trọng áp lực mạch động, tại các vị trí chảy xiết không có đột biến trên máng xả, đoạn cung ngược mũi hắt, tràn kiểu đỉnh trạm thuỷ điện v.v có thể lấy 0,01~0,02; Bể tiêu năng lấy 0,05~0,07; Ka- Hệ số tính đổi đơn vị (ka=9,81)

Kết luận chương 1

− Vấn đề thuỷ lực nối tiếp giữa công trình xả với hạ lưu cho đến đoạn sông thiên nhiên là một vấn đề phức tạp mà về mặt lý thuyết khó phản ánh hết các điều kiện muôn màu muôn vẻ của nối tiếp dòng chảy đã do công trình tạo nên với thiên nhiên về địa hình, địa chất, thuỷ văn… của lòng dẫn và cả hai bờ của

hạ lưu

− Tiêu năng dòng phun là biện pháp tiêu năng vừa an toàn vừa kinh tế Một số điểm hạn chế khi áp dụng nối tiếp hình thức tiêu năng dòng phun, cần có biện pháp xử lý thoả đáng và khi thiết kế tiêu năng nên chú ý đầy đủ các yếu tố bất lợi sau đây:

Đối với trường hợp đập tràn xả lũ đặt cạnh đập vật liệu địa phương, cần chú ý tới dòng phun gây ra dòng chảy quẩn hạ lưu làm xói lở chân đập

Tạo sương mù trong quá trình nước nhảy sẽ ảnh hưởng tới vận hành trạm thuỷ điện và giao thông đầu mối, khi thiết kế bố trí đầu mối cần phải tính kỹ tới điều này;

Nếu nền móng mềm yếu vài kéo dài đến tận hạ lưu và cấu tạo địa chất có khả năng bị dòng chảy có động năng cực lớn trực tiếp đào xói cắt đứt thì có thể gây nguy hại đến ổn định của nền và bờ;

Bờ dốc có khả năng bị xói sập hoặc do trạng thái dòng chảy vòng xoáy đào xói làm nguy hại tới ổn định vai đâp, bồi lấp dòng sông hạ lưu hoặc kênh dẫn phía sau hoặc tạo nên khối lượng xử lý công trình quá lớn;

Sóng vỗ do nước nhảy và dòng xoáy sẽ uy hiếp tới trạm thuỷ điện và âu thuyền hoạt động bình thường

- Khi thiết kế hố xói hạ lưu, đặc biệt trong trường hợp không đào trước hố xói thì những điều nên trên cần lưu ý Các tài liệu hướng dẫn và quy phạm chưa đề cập nhiều đến tính độ bền và ổn định của đập bê tông khi có sự phát triển hố xói làm giảm hệ số an toàn ổn định của đập

Chương 2 PHÂN TÍCH CÁC QUAN ĐIỂM TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐẬP

BÊ TÔNG TRỌNG LỰC THEO HAI HỆ THỐNG TIÊU

CHUẨN VIỆT – NGA VÀ MỸ 2.1 Khái quát

2.1.1 Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực

Đập bê tông trọng lực là đập có khối lượng bê tông lớn Đập duy trì ổn định nhờ trọng lượng của khối bê tông này Đập bê tông trọng lực có khả năng chống thấm và tính bền vững tốt, độ tin cậy khi phân tích tính toán kết cấu cao,

có thể sử dụng tràn nước hoặc không tràn nước, độ an toàn xả lũ cao

So với đập vật liệu địa phương (VLĐP) có cùng chiều cao thì đập bê tông trọng lực yêu cầu chất lượng nền đập cao hơn Đập có thể xây dựng trên nền đá, đập không cao có thể xây dựng trên nền không phải là đá

Ưu điểm nổi bật của khi sử dụng đập bê tông trọng lực là kết cấu và phương pháp thi công đơn giản, có thể bằng công nghệ bê tông ướt hoặc bê tông đầm lăn

Đập bê tông trọng lực làm việc theo kết cấu chịu nén lệch tâm hai chiều:

- Khi hồ đầy nước-lệch tâm về phía hạ lưu

- Khi hồ không có nước-lệch tâm về phía thượng lưu

2.1.2 Yêu cầu chung đối với nền, tuyến đập

Cấu tạo địa chất thung lũng sông ảnh hưởng đến ổn định và thấm của đập

Vì vậy khi bố trí tuyến phải chú ý đến đặc trưng về cấu tạo địa tầng, chiều dày của các tầng tích tụ trên mặt và tính đồng nhất của thành phần nham thạch gốc a) Đối với nền đá:

- Nham thạch nền đủ cường độ

- Không có khe nứt lớn, không có vết nứt phân lớp, không có vùng bị phân hóa sâu, bị phá hoại hoặc mềm yếu

- Khi nền có nhiều lớp, không được có lớp nham thạch yếu

- Nham thạch không có tính hòa tan khi gặp nước (thạch cao, anhydrít, nham thạch hóa thạch cao, tầng đá muối)

b) Đối với nền không phải là đá:

- Đất nền đủ khả năng chịu lực

- Chất đất tương đối đồng nhất, không có lớp đất pha dễ bị xói ngầm

- Không có lớp đất mềm yếu dễ hình thành mặt trượt

- Đất ít bị nén và nén tương đối đều

- Đất không bị hòa tan, không thay đổi độ chặt, không bị trương nở khi gặp nước

2.1.3 Bố trí tổng thể đập bê tông trọng lực

Việc bố trí đập bê tông trọng lực trong tổng thể công trình đầu mối được quyết định dựa trên các điều kiện địa hình, địa chất thủy văn, nối tiếp đập và bờ, với các công trình khác, sơ đồ và biện pháp thi công Các điều kiện trên được phân tích và hình thành các phương án kinh tế kỹ thuật, trong đó chú ý đến quan

hệ của hai công trình chính:

- Công trình tháo lũ bố trí ở đập dưới dạng đập tràn có cửa van hoặc không

có cửa van, xi phông tháo lũ, cống xả sâu và coogn trình tháo lũ kiều kết hợp

- Nhà máy thủy điện có thể bố trí ở ngang đập, sau đập hoặc trong thân đập

2.1.4 Yêu cầu ổn định đối với đập bê tông trọng lực

Dưới tác động của các tổ hợp tải trọng, đập bê tông trọng lực phải thỏa mãn các điều kiện an toàn chống trượt, chống lật và an toàn về cường độ nền Các tính toán để kiểm tra an toàn về lật được thực hiện đối với các mặt tiếp xúc giữa đập và nền hoặc đối mặt phẳng dưới đáy đập An toàn về trượt được phân tích ở mặt tiếp xúc giữa đập và nền hoặc mặt phẳng gãy có thể hình thành trong nền móng

Ứng suất phát sinh ở đập và nền không vượt quá ứng suất giới hạn thiết kế của vật liệu làm đập hoặc đá nền

Trong tính toán đập bê tông trọng lực có nhiều phương pháp phân tích ổn định và phương pháp phân tích ứng suất tùy theo quan điểm của từng nước Do

đó các phương pháp được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế đập BTTL của mỗi nước khác nhau

2.1.5 Một số nguyên tắc và bước thiết kế đập bê tông trọng lực

a) Nguyên tắc thiết kế: Trong thiết kế đập bê tông trọng lực cần đảm bảo một

số nguyên tắc

- Đập và nền phải ổn định trong mọi điều kiện làm việc

- Đập phải đủ cao đồng thời bố trí công trình tháo lũ và các công trình khác

- Đập phải có nền an toàn về thám, về lún không đều, nhiệt độ

- Có hành lang công tác, có thiết bị quan trắc

- Lựa chọn hình thức đập, cấu tạo các bộ phận phù hợp với biện pháp, thời gian thi công, thuận lợi trong quản lý, có giá thành và kinh phí quản lý rẻ

b) Các bước thiết kế: Dựa vào các tài liệu điều tra khảo sát, thu thập về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, trong thiết kế đập tiến hành theo các bước sau:

- Bố trí tổng thể đập trong cụm công trình đầu mối

- So sánh và lựa chọn kiểu đập

- Thiết kế mặt cắt đập

- Phân tích ổn định đập

- Phân tích ứng suất và kiểm tra các trường hợp làm việc

- Chọn cấu tạo chi tiết các bộ phận

- Tính khối lượng công trình, khối lượng vật liệu, nhân lực, máy móc thiết

bị và đề xuất phương án dẫn dòng và giải pháp thi công

2.1.6 Mặt cắt đập bê tông trọng lực

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lý luận tính toán đập ngày càng phát triển và hoàn thiện, kích thước và hình dạng đập ngày càng hợp lý, độ an toàn đập ngày càng được nâng cao

Thập kỷ 30 ÷ 40 của thế kỷ 20 tỷ số giữa đáy đập b và chiều cao đập h bằng khoảng 0,9 thập kỷ 50 ÷ 60 tỷ số b/h = 0,8 thập kỷ 70, b/h = 0,7 Từ thập

kỷ 30 ÷ 70, thể tích đập giảm được (20 ÷ 30)%

Trong đó: b - chiều rộng đáy đập; h - chiều cao đập

Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản đập bê tông trọng lực

Ban đầu mặt cắt đập bê tông trọng lực được thiết kế dạng hình thang hoặc hình chữ nhật, sau này với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật mặt cắt đập đã được thiết kế dạng hình cong hoặc đa giác

Cơ sở lý luận để tính toán mặt cắt đập là đập phải đảm bảo ổn định về trượt,

ổn định về cường độ (ổn định cục bộ) và khối lượng vật liệu xây dựng đập là ít nhất

Các nghiên cứu cải tiến mặt cắt đập bê tông trọng lực không ngừng phát triển Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao an toàn và giảm khối lượng xây dựng đập Hình dạng mặt cắt thực tế của đập bê tông trọng lực tương đối đa dạng Trong các nghiên cứu cũng như các tính toán thiết kế các mặt cắt đập được qui

về dạng mặt cắt tính toán Mặt cắt được dùng phổ biến nhất trong nghiên cứu là mặt cắt dạng tam giác

2.1.6.1 Mặt cắt cơ bản

Mặt cắt cơ bản của đập bê tông trọng lực có dạng tam giác, tải trọng tính toán bao gồm trọng lượng bản thân, áp lực nước, áp lực thấm Mặt cắt cơ bản tính toán theo ba điều kiện:

1 Điều kiện ổn định

Đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt trên mặt cắt nguy hiểm nhất không nhỏ hơn trị số cho phép

2 Điều kiện ứng suất

Điều kiện chung đối với điều kiện ứng suất là khống chế ứng suất trong đập không được vượt quá ứng suất cho phép đối với cả ứng suất nén và ứng suất kéo

Khi hồ đầy nước, khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép thượng lưu hoặc có xuất hiện ứng suất kéo nhưng phải nhỏ hơn trị số cho phép, ứng suất chính nén ở mép hạ lưu không được vượt quá trị số cho phép

Khi hồ không có nước thì ngược lại, khống chế không để xuất hiện ứng suất kéo ở mép hạ lưu hoặc có xuất hiện ứng suất kéo nhưng phải nhỏ hơn trị số cho phép, ứng suất chính nén ở mép thượng lưu không được vượt quá trị số cho phép

3 Điều kiện kinh tế

Đảm bảo khối lượng và giá thành công trình là nhỏ nhất

Mặt cắt đập ngoài việc phải thoả mãn các yêu cầu về ổn định và kinh tế còn phải thoả mãn các yêu cầu trong quá trình sử dụng, vận hành như: có đường giao thông trên đỉnh đập, có đường hầm trong thân đập để đi lại kiểm tra, sửa chữa, đặt các thiết bị quan trắc thí nghiệm, bố trí các hành lang thoát nước , ngoài ra còn lưu ý đến việc tạo dáng kiến trúc đẹp cho công trình Trong thực tế xây dựng mặt cắt ngang đập bê tông trọng lực phần không tràn thường có các dạng sau:

2.1.6.2 Mặt cắt thực tế đập bê tông trọng lực

Hình 2.2 Một số mặt cắt thực tế đập bê tông trọng lực

Mặt cắt đập dạng tam giác (dạng 1), hệ số mái thượng lưu là m1, hạ lưu là m2 đây là dạng cổ điển nhất của mặt cắt đập, nó phù hợp với tình hình chịu lực của đập việc chọn trị số m1 ≠ 0 nhằm lợi dụng thêm một phần trọng lượng nước đè lên mái thượng lưu để tăng thêm tính ổn định cho đập

Trong các hình thức trên thì dạng mặt cắt thứ 2 là phổ biến nhất, được sử dụng nhiều nhất, dễ bố trí kết hợp giữa phần đập tràn và đập không tràn, thuận tiện cho việc bố trí lưới chắn rác và cửa van các hình thức dạng 3 và 4 được sử dụng để thoả mãn đơn thuần về ổn định của đập hoặc ứng suất ở mép biên thượng hạ lưu đập mà không làm cho khối lượng tăng lên quá nhiều

2.1.7 Các hình thức mất ổn định của đập

2.1.7.1 Hình thức mất ổn định tổng thể

Trượt theo mặt nào đó, thường là mặt đáy đập tiếp xúc với nền hay mặt phẳng đi qua đáy của các chân khay (trong trường hợp đập có chân khay cắm sâu vào nền) Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các mặt phân lớp là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt

đi qua đá nguyên khối Khi thân đập có các vị trí giảm yếu (lỗ khoét, mặt ngang tiếp giáp giữa các khối đổ, ) thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các vị trí này Tuỳ theo đặc điểm bố trí công trình và cấu tạo nền mà mặt trượt có thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hoặc hạ lưu)

Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó, thường là mặt đáy đập

Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức chịu tải của nền Trong trường hợp này phải thay đổi hình dạng mặt cắt đập hoặc tăng bề rộng đáy đập để điều chỉnh lại phân bố ứng suất dưới đáy đập

Dạng mặt cắt Tên công trình

Hoover Dam, Nevada-Arizona (221m)

Fontana Dam, Tennessee (137m)

Sakuma Dam, Japan (140m)

Topolintza Dam, Bulgaria (85m)

Hình 2.3 Một số dạng mặt cắt điển hình đập bê tông trọng lực đã xây dựng

2.1.7.2 Hình thức mất ổn định cục bộ

Dưới tác dụng của ngoại lực, các điểm trong thân đập sẽ xuất hiện ứng suất pháp và ứng suất tiếp Khi một bộ phận nào đó của đập (chủ yếu là ở chân mặt thượng, hạ lưu đập) phát sinh ứng suất kéo, ứng suất nén hoặc ứng suất cắt vượt quá sức chịu tải của vật liệu thì vùng đó bị nứt nẻ Tình hình chịu lực tăng dần, ứng suất tập trung càng lớn ở lân cận và vết nứt phát triển làm tiết diện chịu lực thu hẹp dần, ứng suất càng tăng, đến một lúc nào đó vượt qua giới hạn nhất định công trình sẽ bị phá hoại Trong trường hợp này từ sự phá hoại cục bộ dẫn đến phá hoại toàn đập bê tông

Khi thiết kế và kiểm tra ổn định đập, tuỳ theo quan điểm và tiêu chuẩn về

sự phá hoại mà có các phương pháp tính khác nhau

2.2 Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn (Việt Nam-Liên bang Nga)

2.2.1 Những luận điểm cơ bản

Nét đặc thù của phương pháp tính theo trạng thái giới hạn là việc sử dụng một nhóm các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp tải trọng nc,

hệ số điều kiện làm việc m, hệ số tin cậy Kn, hệ số lệch tải n, hệ số an toàn vật liệu KVL Nhóm các hệ số này thay thế cho một hệ số an toàn chung

Đối với công trình và nền công trình được gọi là đạt đến trạng thái giới hạn khi chúng mất khả năng chống lại các tải trọng và tác động từ bên ngoài, hoặc khi chúng bị hư hỏng hay biến dạng quá mức cho phép, không còn thỏa mãn được các yêu cầu khai thác bình thường

Các trạng thái giới hạn: Có 2 nhóm trạng thái giới hạn

- Trạng thái giới hạn thứ nhất: Công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc trong điều kiện khai thác bất lợi nhất, gồm: các tính toán về độ bền và ổn định chung của hệ công trình-nền; độ bền chung của nền và công trình đất; độ bền chung của các bộ phận mà sự hư hỏng của chúng sẽ làm cho việc khai thác công trình bị ngừng trệ; các tính toán về ứng suất, chuyển vị của kết cấu bộ phận mà

độ bền hoặc độ ổn định của công trình chung phụ thuộc vào chúng v.v

- Trạng thái giới hạn thứ hai: Công trình, kết cấu và nền của chúng làm việc bất lợi trong điều kiện khai thác bình thường, gồm: các tính toán độ bền cục bộ của nền; các tính toán về hạn chế chuyển vị và biến dạng, về sự tạo thành hoặc mở rộng vết nứt và mối nối thi công; về sự phá hoại độ bền thấm cục bộ hoặc độ bền của kết cấu bộ phận mà chúng chưa được xem xét ở trạng thái giới hạn thứ nhất

2.2.1.1 Các tổ hợp lực dùng trong tính toán

a) Các tải trọng tính toán:

(1) Tải trọng và tác động thường xuyên

- Trọng lượng bản thân công trình và các thiết bị đặt trên đập

- Lực tác động của nước bao gồm áp lực thủy tĩnh và áp lực thấm ứng với thượng lưu là mực nước dâng bình thường, hạ lưu là mực nước tương ứng

- Áp lực đất của khối đất ở thượng, hạ lưu đập

(2) Các tải trọng và tác động tạm thời dài hạn

- Áp lực bùn cát lắng đọng trước đập

- Tác động của nhiệt với năm có biên độ dao động trung bình của nhiệt độ trung bình tháng

(3) Các tải trọng và tác động tạm thới ngắn hạn

- Lực tác động của nước khi mực nước thượng lưu ứng với MNLTK (mực nước lũ thiết kế), hạ lưu ứng với lưu lượng xả thiết kế, thiết bị chống thấm và tiêu nước làm việc bình thường

- Áp lực sóng do gió có vận tốc bình quân nhiều năm tính với MNLTK

- Các tải trọng do thiết bị nâng, bốc dỡ, vận chuyển kết cấu, thiết bị khác

- Các tải trọng do neo buộc tàu thuyền, va đập của vật trôi

(4) Các tải trọng và tác động đặc biệt

- Lực tác động của nước khi mực nước thượng lưu là NMLTK và mực nước hạ lưu tương ứng, thiết bị chống thấm, tiêu nước làm việc bình thường

- Áp lực thấm khi thiết bị chống thấm, thiết bị tiêu nước bị hỏng

- Tác động của nhiệt được xác định với năm có biên độ dao động lớn nhất của nhiệt độ trung bình tháng

- Áp lực sóng vận tốc gió lớn nhất nhiều năm có tần suất p = 2%, mực nước hồ ở MNDBT(mức nước dâng bình thường)

b) Tổ hợp tải trọng:

Các tính toán ổn định đập được thực hiện với hai nhóm tổ hợp tải trọng:

Tổ hợp tải trọng cơ bản và tổ hợp tải trọng đặc biệt

Tổ hợp tải trọng cơ bản gồm các tải trọng và các tác động thường xuyên, tạm thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn mà đập có thể cùng tiếp nhận một lúc

Tổ hợp tải trọng đặc biệt bao gồm các tải trọng và các tác động đã xét trong tổ hợp cơ bản nhưng một hoặc hai trong đó được thay thế bằng tải trọng hoặc tác động tạm thời đặc biệt Trường hợp tải trọng cơ bản có xét thêm tải trọng động đất hoặc chấn động do các vụ nổ cũng xét vào loại tổ hợp đặc biệt Các tổ hợp tải trọng tương ứng với các trường hợp tính toán như sau:

(1) Trường hợp1: Tổ hợp tải trọng cơ bản với MNDBT

- Mực nước thượng lưu là MNDBT

- Mực nước hạ lưu là mực nước thấp nhất

- Áp lực thấm đáy đập khi thiết bị chống thấm và tràn nước làm việc bình thường

- Áp lực bùn cát

- Áp lực sóng do gió lớn nhất

(2) Trường hợp 2: Tổ hợp tải trọng cơ bản khi xả lũ thiết kế

- Mức nước lũ thượng lưu là mực nước lũ thiết kế

- Mức nước lũ hạ lưu là mực nước tương ứng khi xả lũ thiết kế

- Áp lực thấm đáy đập và các thiết bị chống thấm và thoát nước làm việc bình thường

(3) Trường hợp 3: Tổ hợp tải trọng đặc biệt1 với MNLKT

- Mức nước thượng lưu là MNLKT

- Mức nước hạ lưu là mực nước tương ứng khi xả lũ kiểm tra

- Áp lực thấm đáy đập khi thiết bị chống thấm và thoát nước làm việc bình thường

- Áp lực bùn cát

(4) Trường hợp 4 Tổ hợp tải trọng đặc biệt 2, động đất tính toán cực đại (MDE)

- Mực nước thượng lưu là MNDBT

- Mực nước hạ lưu là mực nước thấp nhất

- Động đất (MCE) với chu kỳ lặp lại 10.000 năm, theo hướng nghiêng 30˚

về phía hạ lưu

- Lực tăng thêm do động đất tính theo phương pháp phổ tuyến tính

- Áp lực thấm đáy đập khi màng chống thấm và tiêu nước làm việc bình thường

- Lực động đất tăng thêm tính theo phương pháp phổ tuyến tính

- Áp lực thấm khi màng chống thấm và tiêu nước bị hỏng

- Áp lực bùn cát

(6) Trường hợp 6: Tổ hợp lực đặc biệt 4

- Đập vừa mới thi công xong

- Động đất thiết kế cơ sở (OBS)

vật liệu, trị số cho phép của bề rộng khe nứt, biến dạng các trị số này được quy định trong các quy phạm

- Điều kiện đảm bảo ổn định hay độ bền của công trình là:

Ntt - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp;

m - hệ số điều kiện làm việc

R - trị số tính toán của sức chịu tổng hợp của công trình hay nền

Kn - hệ số tin cậy

Khi kiểm tra theo (2-1), để đảm bảo điều kiện kinh tế, thường yêu cầu đại lượng

ở vế phải không vượt quá (10 ÷ 15)% so với đại lượng ở vế trái ứng với tổ hợp tải trọng bất lợi nhất

- Hay kiểm tra theo công thức:

Ra, Rb - cường độ tính toán của cốt thép và bê tông

φ - hàm số mà dạng của nó tuỳ thuộc vào tính chất của trạng thái ứng suất biến dạng của đập

Khi tính toán độ bền của đập thuộc tất cả các cấp có chiều cao tới 60m chịu tải trọng của tổ hợp lực cơ bản phải thoả mãn điều kiện độ bền

- Ở tất cả các điểm của thân đập phải thoả mãn các điều kiện sau:

1 0

3 / /

σyt là ứng suất pháp theo phương thẳng đứng ở mặt thượng lưu đập

σt là ứng suất pháp ở bề mặt của mặt cắt tiếp giáp với nền đá sát mặt thượng lưu đập

γ, h, Rbt lần lượt là dung trọng của nước, cột nước trên mặt cắt tính toán

và cường độ lăng trụ của bê tông

Ntc - tải trọng tiêu chuẩn;

n - hệ số lệch tải, xác định theo bảng cho sẵn

b) Độ bền tính toán của vật liệu công trình hay nền:

Trong trường hợp chung R được xác định như sau:

tc vl

R R K

Trong đó:

Rtc - cường độ tiêu chuẩn của vật liệu;

Kvl - hệ số an toàn về vật liệu, xét đến khả năng giảm nhỏ độ bền so với trị số tiêu chuẩn do sự thay đổi tính chất vật liệu và ảnh hưởng của các yếu tố khác (phương pháp thí nghiệm, dung sai, dạng của trạng thái ứng suất v.v ) Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ nhất, với kết cấu kim loại, Kvl = 1,5 Khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai, lấy Kvl

- Với tổ hợp tải trọng cơ bản: nc = 1,0;

- Với tổ hợp tải trọng đặc biệt: nc = 0,9;

- Với tổ hợp tải trọng trong thi công: nc = 0,95