đánh giá ổn định đập định bình khi gặp lũ cực hạn và giải pháp đảm bảo an toàn khi công trình gặp sự cố

Luận văn “Đánh giá ổn định đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn và giải pháp đảm bảo an toàn khi công trình gặp sự cố” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, b

Luận văn “Đánh giá ổn định đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn và

giải pháp đảm bảo an toàn khi công trình gặp sự cố” được hoàn thành với

sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, bạn bè và gia đình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:Thầy giáo hướng dẫn 1: GS.TS Phạm Ngọc Quý và Thầy giáo hướng dẫn 2: TS Nguyễn Mai Đăng đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học

và Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này

Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ

và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè

Hà Nội, ngày 19 tháng 08 năm 2013

Tác giả luận văn

Lê Nguyên Trung

Tên tôi là: Lê Nguyên Trung

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay ngành công nghiệp trên thế giới đang phát triển rất nhanh, kèm theo đó là các hoạt động tạo ra khí nhà kính và sự khai thác quá mức các thành phần hấp thụ khí nhà kính như: rừng, hệ sinh thái biển đã làm biến đổi khí hậu của trái đất Sự biến đổi này đã làm thiên tai bất thường xẩy ra ở nhiều nơi trên trái đất Nếu sự biến đổi khí hậu này không được kiểm soát thì khả năng thiên tai bất thường xẩy ra sẽ còn nhiều hơn Trong những thiên tai này có sự xuất hiện của dòng chảy vượt lũ thiết kế và lũ kiểm tra, vì vậy việc nghiên cứu tính toán ổn định của đập khi gặp lũ cực hạn, xây dựng bản đồ ngập lụt khi công trình gặp sự cố và đề xuất giải pháp ứng phó là rất cần thiết

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

- Đánh giá tổng quan về ổn định và an toàn đập

- Nghiên cứu tính toán ổn định của đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn

- Nghiên cứu đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn đập

3 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Cách tiếp cận: thu thập, tổng hợp, phân tích và đánh giá tài liệu thực

tế về sự cố công trình, tính toán ổn định đập, dự kiến kịch bản vỡ đập có thể

xẩy ra, xây dựng bản đồ ngập lụt hạ du và đề xuất giải pháp ứng phó

- Phương pháp nghiên cứu: phương pháp thống kê, phương pháp kế thừa, phương pháp chuyên gia, phương pháp mô phỏng, mô hình toán

4 KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

Trên cơ sở các cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu đã đề ra, tác giả dự kiến luận văn đạt được một số kết quả sau:

- Tính toán ổn định của đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn

- Đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn đập

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN ĐẬP

1.1 Khái quát về đập và hồ chứa

a Đập đất

Đập đất được xây dựng bằng các loại đất Tùy thuộc vào việc sử dụng một hay nhiều loại đất để đắp đập người ta phân ra đập đất đồng chất (hình 1.1a,b) hay đập đất không đồng chất (hình 1.1c,d) Nước thấm qua thân đập đất tạo thành dòng thấm Giới hạn trên cùng của dòng thấm là đường bão hòa thấm (đường abc của hình 1.1a) Nếu đất đắp đập có hệ số thấm quá lớn làm tổn thất nước trong hồ nhiều thì cần có biện pháp chống thấm như tường nghiêng hay tường lõi làm bằng vật liệu ít thấm nước như đất sét hoặc đất á sét, bê tông [14]

a Đập đất đồng chất;

b Đập đất có thiết bị chống thấm tường nghiêng;

c Đập có tường tâm;

d Đập đất hai khối

Hình 1.1.Các loại đập đất

b Đập đá

Loại này có thân đập được đắp bằng đá Thiết bị chống thấm là tường nghiêng (hình 1.2a) hoặc tường lõi (hình 1.2b) làm bằng đất sét hay á sét Thân đập được đắp bằng nửa đất nửa đá được gọi là đập hỗn hợp đất đá (hình 1.2c)[14]

a Đập đá đổ tường nghiêng bằng đất,

Đập bản chống bao gồm bản mặt ở trước thượng lưu mỏng và một hệ thống các trụ chống hợp thành như hình 1.3b

Đập vòm là loại dập được xây dựng bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép làm nhiệm vụ dâng nước và cũng cho phép bố trí những khoang để nước tràn qua Nhờ tính hợp lí của dạng vòm trên mặt bằng, đập có thể thu nhỏ mặt cắt ngang, tỷ lệ chiều rộng đáy mặt cắt ngang trên chiều cao đập (β) dao động trong khoảng 0,1- 0,65 (hình 1.3c) Nhờ tính ưu việt của kếtcấu dạng vòm,

măt cắt đập vòm được thu nhỏ nên tiết kiệm được vật liệu bê tông so với đập

bê tông trọng lực Đập vòm trọng lực được xây dựng bằng công nghệ thi công

bê tông truyền thống và cả bằng công nghệ bê tông đầm lăn Đập vòm thường được sử dụng để xây dựng ở vị trí lòng sông có mặt cắt ngang lòng sông dạng chữ V hoặc chữ U, đồng thời phải có chất nền đá tốt thì mới kinh tế Trong những điều kiện thích hợp, loại đập này có thể đạt đến những độ cao lớn[14]

a đập bê-tông trọng lực; b.đập bản chống phẳng; c.đập vòm;

1.chân răng;2.màng ximăng; 3.thiết bị tiêu nước; 4.mối ghép nhiệt độ;

5.mối nối gia cố; 6.bản chắn nước ; 7 trụ chống;

d Một số các loại đập khác như: đá đổ bọc bê tông, đập cao su, đập gỗ Nhưng các loại đập này không được sử dụng rỗng rãi trên thế giới

1.1.2 Khái quát về hồ chứa

1.1.2.1 Khái niệm về hồ chứa

Hồ chứa nước gồm có hồ tự nhiên và hồ nhân tạo Hồ nhân tạođược hình thành một cách nhân tạo hoặc bán nhân tạo Hồ chứa được tạo ra nhằm

mục đích điều tiết dòng chảy nhằm phân phối lại dòng chảy tự nhiên theo thời gian, không gian cho phù hợp với yêu cầu dùng nước, sử dụng nước và phòng chống lũ lụt Các hồ chứa lớn trên thế giới và ở Việt Namđều được xây dựng theo phương thức đắp đập ngăn sông

a Lưu vực: là phần diện tích hứng nước cho hồ chứa

b Lòng hồ: là một phần diện tích lưu vực, dùng để chứa nước Lòng hồ

là nơi tích trữ nước và cung cấp nước theo nhiệm vụ của hồ Lòng hồ càng lớn thì khả năng trữ, khả năng điều tiết và cấp nước của hồ càng lớn

c Đầu mối công trình thường gồm có: đập chắn dâng nước (đập chính

và có thể có một hay nhiều đập phụ), tràn xả lũ (tràn chính, tràn bổ sung, tràn

sự cố ), công trình lấy nước và có thể có: nhà máy thủy điện, âu tầu, đường chuyển bè gỗ, đường cá đi [9]

1.1.2.3 Các đặc trưng hình thái của hồ chứa

Hồ chứa dâng nước bởi đập dâng và nó có các đặc trưng hình thái:dung tích chết và mực nước chết; dung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thường; dung tích siêu cao và mực nước siêu cao; dung tích kết hợp và mực nước trước lũ

Mực nước siêu cao (H R sc R ) , Mực nước dâng bình thường (H R bt R ) Mực nước trước lũ (H R tl R ),

Mực nước chết (H R c R ), Dung tích siêu cao (V R sc R ), Dung tích hiệu dụng (V R h R ), Dung tích chết (V R c R ), Dung tích kết hợp (V R kh R )

Hình 1.4 Các đặc trưng hình thái kho nước[7]

1.2 Lũ cực hạn và sự cố công trình

1.2.1 Khái quát về lũ cực hạn.

Lũ cực hạn hay lũ lớn nhất khả năng (PMF-Probable Maximum Flood)

là trận lũ lớn nhất được hình thành từ sự tổ hợp bất lợi nhất của các điều kiện khí tượng thủy văn xảy ra trên lưu vực có độ ẩm đã bão hòa Như vậy trận lũ lớn nhất khả năng được hình thành từ trận mưa lớn nhất khả năng (PMP-Probable Maximum Precipitation) của lưu vực

Tính toán lũ lớn nhất khả năng phải qua hai giai đoạn :

thời khoảng ngắn)

năng PMF bằng mô hình mưa dòng chảy

Hiện nay ở Việt Nam, các lưu vực vừa và lớn thường có khá đầy đủ các tài liệu khí tượng, thủy văn đáp ứng cho việc tính toán mưa lớn nhất khả năng PMP theo phương pháp cực đại hoá trận mưa lớn thực đo

1.2.1.1 Tính toán mưa lớn nhất khả năng PMP theo phương pháp cực đại hoá trận mưa lớn thực đo[7]

Nội dung và các bước tính toán:Trên cơ cở các số liệu khí tượng thủy văn có sẵn trên lưu vực, các bước tính toán mưa lớn nhất khả năng cho lưu vực như sau

Bước 1: Chọn trận mưa lũ đại biểu

Bước 2: Chọn thời khoảng trận mưa tính toán hiệu chỉnh

Bước 3: Xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa thời khoảng và quan hệ lượng mưa với thời khoảng

Bước 4:Xác định các hệ số hiệu chỉnh cực đại

Bước 5: Hệ số hiệu chỉnh tổng hợp

2 Tính lượng mưa lớn nhát khả năng (PMP) và phân bố theo thời khoảng ngắn

Bước1:Tính lượng mưa PMP 1 ngày

Bước2:Tính lượng mưa PMP các thời khoảng khác nhau (2,3 ngày) Bước3: Xác định phân bố mưa PMP theo thời khoảng ngắn(h)

Sau khi có phân bố mưa PMP theo thời khoảng ngắn như trình bày ở trên, việc tính chuyển sang lũ PMF có thể dùng một trong các mô hình đơn giản như: Mô hình tập trung nước tổng hợp (MHTTNTH); mô hình đường lưu lượng đơn vị (Unit Hydrograph); mô hình Nash; mô hình truyền lũ MUSKINGUM [7]

Sự cố các công trình thủy lợi có những đặc điểm sau đây:

1 Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra,trong đó có khảo sát(địa hình,địa chất công trình,địa chất thủy văn,thủy văn công trình),thiết kế (thủy công, cơ khí,điện),chế tạo,lắp đặt,thi công và quản lí khai thác.Thực tế về sự

cố đã xảy ra ở các công trình thủy lợi ở nước ta cho thấy rằng,trong các nguyên nhân đó các nguyên nhân phổ biến là:khảo sát,thiết kế,thi công và chế tạo lắp đặt

2 Các hạng mục công trình xẩy ra sự cố có cả các công trình đầu mối,hệ thống kênh,công trình thủy công cũng như cơ điện Sự cố lớn thường xảy ra với các công trình thủy công

3 Sự cố xảy không phải chỉ có ngay sau khi hoàn thành công trình mà thường là nhiều năm.Tuy nhiên sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra ngay khi gặp lũ cực lớn(như vỡ đập Vệ Vừng ở tỉnh Nghệ An và rất nhiều đập nhỏ khác) và trong quá trình thi công (như sự cố cống Hiệp Hòa ở hệ thống thủy nông Đô Lương ở tỉnh Nghệ An,sự cố sạt kênh dẫn và vỡ đập ở sông Mực

tỉnh Thanh Hóa,sự cố lần thứ 3 đập suối Trầu ở tỉnh Khánh Hòa,sự cố đập Cà Giây tỉnh Bình Thuận,vv ) Hoặc ở năm tích nước đầu tiên,xả lũ đầu tiên(sự

cố vỡ đập suối Trầu lần thứ 1,lần thứ 2,vỡ đập Suối Hành,vỡ đập Am Chúa,đều xảy ra tại tỉnh Khánh Hòa,vỡ đập Họ Võ ở tỉnh Hà Tĩnh,vỡđập Đáy cũ,sự cố đập tràn thủy điện Hòa Bìnhvv…) Những sự cố nghiêm trọng khác

là do sự cố nhỏ xảy ra từ từ nhưng không được xử lí,để tiếp diễn lâu ngày tích tiểu thành đại(cống Trung Lương ở thành phố Hải Phòng,cống Cầu Xe ở tỉnh Hải Dương,cống lân 1 ở tỉnh Thái Bình,cống Lạch Bạng ở tỉnh Thanh Hóa,

vỡ cống Mai Lâm ở tỉnh Bắc Ninh,vv…)

4 Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột trong một thời gian rất ngắn ko kịp thời gian ứng phó(vỡ đập Suối Trầu lần 1, lần 2,vỡ đập Suối Hành,gẫy cửa đập tràn Dầu Tiếng,vỡ đập họ Võ, vỡ cống Mai Lâm,sạt cống Hiệp Hòa,sạt kênh vào tràn Sông Mực,vỡ đập Vệ Vừng,vỡ đập Đáy cũ,sạt đập Vục Tròn,sạt đập Yên Mỹ,vv…)

5 Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng,việc xử lí rất tốn kém,gây ra tổn thất lớn về tính mạng tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia,có ảnh hưởng xấu về kinh tế và đối với những những sự cố lớn nghiêm trọng còn ảnh hưởng xấu đến tình hình xã hội

Những loại sự cố phổ biến ở các hồ chứa nước là:Thấm (ở nền,vai,thân đập); sạt lở ở phần gia cố mái thượng lưu; nước lũ tràn qua đỉnh đập do lũ lớn hơn tần suất thiết kế hoặc mặt đập thấp hơn cao trình thiết kế; tiêu năng tràn

xả lũ bị xói;cửa tràn bị gẫy,bị kẹt;cống lấy nước bị lún,gãy,xói tấm đáytrần,dột,khớp nối bị hỏng hoặc đứt, cửa cống bị gẫy,bị kẹt

Bảng 1.1 Tổng hợp các loại sự cố công trình ở hồ chứa nước[9]

4 Thân của thiết bị tiêu năng của tràn bị hỏng 113 26,4

sẽ còn tăng thêm nữa

1.2.3 Tổng quan việc sử dụng lũ cực hạn để đánh giá ổn định đập

Trên thế giới, việc sử dụng lũ cực hạn (PMF) để đánh giá ổn định đập

đã được thực hiện ở một số nước như Anh, Mỹ Theo hội đồng đập lớn thế giới thì hồ chứa được chia thành 4 nhóm A, B, C, D và tiêu chuẩn thiết kế lũ của hội đồng đập lớn thế giới (Icold) như bảng 1.2.[1]

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn lũ thiết kế theo hội đập lớn thế giới (ICOLD)[1]

1 Nhóm A: Hồ chứa khi bị sự cố gây tổn thất về người và tổn thất

về tài sản rất nghiêm trọng cho hạ lưu PMF

2 Nhóm B: Hồ chứa khi bị sự cố gây tổn thất về người và tổn thất

về tài sản nghiêm trọng cho hạ lưu 0,5PMF đến P=0,01%

3 Nhóm C: Hồ chứa khi bị sự cố gây tổn thất không đáng kể về

người và tài sản cho hạ lưu 0,3PMF đến P=0,1%

4 Nhóm D: Hồ chứa khi bị sự cố không gây tổn thất về người và tài

1.3 Tổng quan ổn định và an toàn đập trên thế giới và Việt Nam

Đánh giá ổn định công trình là một vấn đề rất rộng, với nhiều cách tính cho nhiều loại công trình khác nhau, vì vậy trong luận văn này chỉ trình bày vấn đề ổn định và an toàn đập cho đập bê tông trọng lực trên nền đá

Với đập bê tông trọng lực trên nền đá, các khả năng mất ổn định có thể xảy ra là:

* Trượt theo một mặt nào đó, có thể là mặt đáy đập tiếp xúc với nền, hay mặt phẳng đi qua đáy của các chân khay (khi đập có làm 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 qua đá nguyên khối Khi thân đập có các vị trí giảm yếu (khoét lỗ, mặt ngang tiếp giáp giữa các khối đổ, ) thì cần xét mặt trượt đi qua các vị trí này Tuỳ theo đặc điểm bố trí công trình và cấu tạo nền đập mà mặt trượt có thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hay hạ lưu)

* Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó, thường là mặt đáy đập, hay mặt cắt mà đập bị khoét lỗ, giảm yếu Khả năng lật chỉ có thể xảy ra khi biểu đồ ứng suất trên mặt nằm ngang tính toán có giá trị âm (trên một phần mặt tính toán có ứng suất kéo)

* 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, cần 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

1.3.1 Tổng quan ổn định và an toàn đập ở Việt Nam

1.3.1.1 Tổng quan về ổn định

Theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 04 - 05 : 2012/BNNPTNT: Khi tính toán ổn định, độ bền, ứng suất, biến dạng chung và cục bộ cho các công trình

thủy lợi và nền của chúng, phải tiến hành theo phương pháp trạng thái giới hạn

Để đảm bảo an toàn kết cấu và nền của công trình, trong tính toán phải tuân thủ điều kiện quy định trong công thức (1.3.1) hoặc (1.3.2):

R k

m N n

n tt

Đặt:

m

k n

trong đó:

nR c R - hệ số tổ hợp tải trọng, nR c Rlấy theo [10]

kR n R - hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp công trình, kR n Rlấy theo [10]

m - hệ số điều kiện làm việc m lấy theo [10]

KR cp R- là hệ số an toàn chung của công trình

NR tt R - là tải trọng tính toán tổng quát (lực, mô men, ứng suất), biến dạng hoặc thông số khác mà nó là căn cứ để đánh giá trạng thái giới hạn Tải trọng tính toán bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải n (lấy theo [10]) Tải trọng tiêu chuẩn có trong các tiêu chuẩn khảo sát thiết kế quy định riêng cho mỗi loại công trình

R - là sức chịu tải tính toán tổng quát, biến dạng hoặc thông số khác được xác lập theo các tài liệu tiêu chuẩn thiết kế

Một số sự cố đập ở Việt Nam được trình bày dưới đây

1 Vỡ đập Suối Trầu ở Khánh Hoà

Đập Suối Trầu ở Khánh Hoà có dung tích 9,3triệu mP

3

Pnước, chiều cao đập cao nhất: 19,6m, chiều dài thân đập: 240m Đập Suối Trầu bị sự cố 4 lần: Lần thứ 1: năm 1977 vỡ đập chính lần 1 Lần thứ 2: năm 1978 vỡ đập chính

lần 2 Lần thứ 3: năm 1980 xuất hiện lỗ rò qua đập chính Lần thứ 4: năm

1983 sụt mái thượng lưu nhiều chỗ, xuất hiện 7 lỗ rò ở đuôi cống

Về thiết kế: xác định sai dung trọng thiết kế Trong khi dung trọng khô đất cần đạt γ = 1,84T/mP

Về thi công: đào hố móng cống quá hẹp không còn chỗ để người đầm đứng đầm đất ở mang cống Đất đắp không được chọn lọc, nhiều nơi chỉ đạt dung trọng khô γR k R = 1,4T/mP

Như vậy, sự cố vỡ đập Suối Trầu đều do lỗi của thiết kế, thi công và quản lý

03/12/1986 Nguyên nhân là do sai sót trong quá trình: khảo sát địa chất, số liệu thí nghiệm vật liệu đắp đập, thiết kế và thi công công trình

Thiệt hại do vỡ đập: Trên 100 ha cây lương thực bị phá hỏng, 20 ha đất trồng trọt bị cát sỏi vùi lấp, 20 ngôi nhà bị cuốn trôi, 4 người bị nước cuốn chết

quan điểm giống nhau đều tính ổn định theo trạng thái giới hạn Với tiêu các tiêu chuẩn Mỹ thì tính toán ổn định theo trạng thái cân bằng giới hạn Sau đây luận văn sẽ trình bày tính toán ổn định theo trạng thái cân bằng giới hạn[16]

(1.3.4) Trong đó: τF = σ tgφ +C, theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr – Couloml

a Mặt trượt phẳng

Với mặt trượt phẳng có các sơ đồ tính như hình 1.7

a Sơ đồ tính với mặt trượt

nằm ngang b Sơ đồ tính với mặt trượt dốc phía thượng lưu c Sơ đồ tính với mặt trượt dốc phía hạ lưu

Hình 1.7 Sơ đồ tính ổn định với mặt trượt phẳng[16]

* Với mặt trượt nằm ngang (hình 1.7.a)

H L C tg U W

U – lực thủy tĩnh đẩy ngược tác dụng lên mặt trượt

φ - góc ma sát trong của nền tại vị trí mặt trượt

* Với mặt trượt nghiêng về thượng lưu hay hạ lưu (hình 1.7.b, c)

α α

φ α α

sin cos

sin

cos

W H

L C tg H U W

K

−

+ +

V W P

P H

H

l C tg U P

P H

H V

W

K

α α

α

φ α

α α

sin cos

cos

.

sin sin

−

+

−

− +

− + +

=

−

−

(1.3.7) trong đó:

i – số thứ tự mặt trượt đang phân tích

WR i R – tổng trọng lượng nước, đất, đá hay bê tông của khối thứ i

VR i R – Tổng các lực tác dụng phía trên khối nêm thứ i

HR Li R – các lực tác dụng theo phương ngang ở trên hoặc dưới tác dụng bên phía trái khối trượt

HR Ri R – các lực tác dụng theo phương ngang ở trên hoặc dưới tác dụng bên phía phải khối trượt

(PR i-1 R – PR i R) – tổng các lực tác dụng phương ngang lên khối đá thứ i

UR i R – lực thủy tĩnh đẩy ngược tác dụng lên mặt trượt thứ i

Ci – lực dính đơn vị tính tại mặt trượt thứ i

lR i R- chiều dài mặt trượt thứ i

Hình 1.9 Vị trí của hợp lực trong các trường hợp tính ổn định lật[16]

Khi chỉ số tính toán như công thức (1.3.8) nằm ngoài 1/3 phần giữa tiết diện tính toán thì không thỏa mãn điều kiện chịu nén

1.3.2.2 An toàn đập trên thế giới

1 Tổng quan đập trên thế giới

Theo báo cáo của Ủy ban thế giới về đập, tính đến năm 2000 có khoảng 45.000 đập lớn (HR đập R>15m) trên 140 quốc gia Phân bố đập lớn trên thế giới như hình 1.10

Hình 1.10 Phân bố đập lớn trên thế giới (tính đến năm 2000)[22]

33T

Nhiều loại đập đã được xây dựng trên thế giới trong đó đập đấtchiếm

ưu thếvới633T33T333T% 33Tcủa tất cả các33Tloại 33Tđậpđược báo cáo.Đây làloại33Tđập 33Tlâu đời nhất33T

33T

Hơn nữaloạiđập33T này 33Tcó thể được đắp bằng các vật liệu khác nhau33T Tỷ lệ các loại đập khác nhau đã được xây dựng như trong hình 1.11

Đập đất chiếm 63%; đập đá đổ: 8%;

đập trọng lực: 17%; đập trụ chống 1%; đập cửa van 0.7%; đập vòm 5%;

đập liên vòm 0.3%; đập khác 5%.

Bắc Đến lúc 12h đêm ngày 12/3/1928 đập bị vỡ Trước khi bị vỡ đập không

có bất cứ 1 dấu hiệu bất thường nào Đập có chiều dài 213m, khi bị vỡ 2 bên vai đập đều bị xói hỏng chỉ còn lại 23m đoạn đập ở giữa lòng sông Vào thời điểm vỡ, gần như toàn bộ dung tích nước trong hồ chứa (47 triệu mP

3

P

) đổ về hạ lưu Đỉnh sóng cao nhất lúc vỡ đập lên tới 38m trên đoạn dài 1,6km sau đập Nước lũ đã làm chết khoảng 450 người Lũ lớn gây thiệt hại nặng nề cho đường giao thông, đường sắt nhưng may mắn là do đập vỡ vào ban đêm nên cũng có ít phương tiện giao thông trên đường bộ nên cũng giảm nhẹ được thiệt hại về người Nước lũ còn ảnh hưởng đến tận thị trấn Santa Paula cách đập tận 61 km về phía hạ lưu

b.ĐậpMalpasset (Pháp) [24]

Đập Malpasset là một đập vòm trên sông Reyran, miền nam nước Pháp Đập nằm cách Fréjus khoảng 7 km về phía bắc Nó sụp đổ tháng 2 năm 1959, khoảng 423 người thiệt mạng trong sự cố.Đập được xây dựng để cung cấp nước và tưới tiêu cho khu vực Đập vòm Malpasset là đập vòm mỏng cong hai chiều bán kính thay đổi, đập có chiều cao 60m, bề rộng đáy đập 6.78m, bề rộng đỉnh đập 1.5m, chiều dài đỉnh đập 223m, bề rộng tràn xả lũ 30m Đập được bắt đầu xây dựng vào năm 1951 và đến năm 1959 thì hoàn thành

Đập bị vỡ lúc 21:13 ngày 02 Tháng Mười Hai năm 1959 Toàn bộ bức tường sụp đổ chỉ với một vài khối còn lại trên bờ phải Miếng đập vẫn nằm rải rác khắp khu vực hạ lưu Sóng vỡ đập cao tới 40 mét di chuyển 70 km/h, phá hủy hai ngôi làng nhỏ, Malpasset và Bozon, công trường xây dựng đường cao tốc Nhiều con đường nhỏ và đường ray xe lửa cũng đã bị phá hủy, nước ngập nửa phía Tây của Fréjus

Nguyên nhân:

- Các nghiên cứu địa chất của khu vực là không triệt để

- Một số tiếng ồn và vết nứt đã được xác nhận, nhưng người có trách nhiệm đã không quan tâm và đập đã không được kiểm tra

- Vụ nổ trong quá trình xây dựng đường cao tốc có thể gây ra thay đổi của địa chất của khu vực đập

- Giữa 19 tháng 11 và 02 tháng 12 năm 1959, đã có 50cm lượng mưa,

và 13 cm trong 24 giờ trước khi sự cố Mực nước trong hồ chỉ cách đỉnh đập

28 cm Mưa vẫn tiếp tục, và người giám hộ đập muốn mở các van xả, nhưng các nhà chức trách từ chối, nói rằng các công trường xây dựng đường cao tốc

có nguy cơ lũ lụt 05 giờ trước khi vi phạm, lúc 18:00 giờ, các van xả nước được mở ra, nhưng với tốc độ xả 40 m³ / s, đó là không đủ để làm sạch các hồ chứa trong thời gian

Một số hình ảnh đập Malpasset sau khi hoàn thành và bị vỡ như hình 1.14 và hình 1.15 [24]

Hình 1.14 Đập Malpasset hoàn thành Hình 1.15 Đập Malpasset sau khi bị vỡ

Hình 1.16 Đập Teton đang bị vỡ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐỊNH

BÌNH KHI GẶP LŨ CỰC HẠN

2.1 Tổng quan về hồ Định Bình

Công trình đầu mối hồ chứa nước Định Bình được xây dựng ở thượng lưu sông Côn, thuộc xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Định Hồ chứa nước Định Bình có nhiệm vụ đa mục tiêu :

- Chống lũ tiểu mãn, lũ sớm, lũ muộn đều cùng tần suất P=10%, giảm

lũ chính vụ cho dân sinh

- Cấp nước tưới, trước mắt cho FR 1 R=15515 ha, sau này nâng lên từ 27660

ha đến 34000 ha.Cấp nước cho công nghiệp nông thôn và dân sinh, cấp nước cho nuôi trồng thủy sản và kết hợp phát điện

- Xả về hạ du Q=3.0mP

3

P

/s bảo vệ môi trường, chống cạn kiệt dòng chảy

và xâm nhập mặn ở cửa sông Mặt bằng tổng thể đập Định Bình như hình 2.1

(1)- Đập tràn; (2) – Cống xả sâu; (3) Nhà máy thủy điện

20000

®­êng lªn

k®b10

k®b24

k®b48 k®b39

2000 2000

1:1.5

14000 7000

8800 24333

5900 29600

8000 8000 7700

1000 1000 1000 1000 1000

1) Các chỉ tiêu thiết kế

- Cấp công trình : Công trình cấp II (theo TCXDVN 285-2002)

- Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công : P=10%

2) Các thông số kỹ thuật chủ yếu

3) Các thông số kỹ thuật của hồ chứa

- Mực nước dâng bình thường (MNDBT) : 91,93m

- Mực nước dâng gia cường P=0,5% (MNDGC) : 93,27m

- Mực nước chết (mực nước trước lũ) (MNC) : 65,00m

4) Đập ngăn sông tạo hồ chứa

6) Nhà máy thủy điện

- Lưu lượng nhỏ nhất qua 1 tổ máy : Qmin=9,78 mP

Nguyên Trung) thực hiện theo dự án “Nghiên cứu công nghệ cảnh báo, dự báo lũ và tính toán lũ vượt thiết kế ở các hồ chứa vừa và nhỏ - Giải pháp tràn

sự cố” – Chủ nhiệm dự án GS.TS Phạm Ngọc Quý tiến hành tính toán lũ cực hạn đến đập Định Bình

a Mạng lưới các trạm khí tượng thủy văn trong khu vực

Danh sách các trạm khí tượng thủy văn trên sông Côn như bảng 2.1 và bản đồ vị trí các trạm và vị trí tuyến đập Định Bình xem hình 2.2

Bảng 2.1 Danh sách các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Côn

Hình 2.2 Vị trí các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Côn[5]

b Tài liệu mưa

Trên cơ sở bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Côn nhận thấy: trên lưu vực của hồ Định Bình có 2 trạm đo mưanằm ở phía thượng lưu đập là Vĩnh Sơn và Vĩnh Kim, hai trạm đo mưa này khá gần nhau mặt khác trạm Vĩnh Sơn mới đo gần đây vì vậy lựa chọn mưa tại trạm Vĩnh Kim làm mưa điển hình cho toàn lưu vực, từ đó tiến hành thu thập tài liệu

mưa của trạm Vĩnh Kim Lượng mưa 1 ngày lớn nhất của trạm Vĩnh Kim như bảng 2.2

Bảng 2.2 Lượng mưa 1 ngày lớn nhất trạm Vĩnh Kim

TT Năm trạm Vĩnh Kim (mm) X1ngày max TT Năm trạm Vĩnh Kim (mm) X1ngày max

Phân phối mưa giờ trạm Quy nhơn (Trận mưa bắt đầu từ 0h- ngày11/T11/2003)

2.2.2 Kết quả tính toán

a Kết quả tính toán mưa cực hạn (PMP)

Sử dụng chương trình LTK05 để tính toán mưa cực hạn 1 ngày sau đó

sử dụng phương pháp thu phóng dựa vào phân phối mưa điển hình để thu phóng trận mưa cực hạn 72 giờ, kết quả như bảng 2.3

Bảng 2.3 Phân phối mưa PMP khu vực hồ chứa Định Bình

T (h) X(mm) T (h) X(mm) T (h) X(mm) T (h) X(mm) T (h) X(mm) T (h) X(mm) 1,0 0,0 13,0 41,7 25,0 165,9 37,0 60,6 49,0 6,9 61,0 5,8 2,0 3,3 14,0 30,8 26,0 0,0 38,0 27,6 50,0 633,7 62,0 2,2 3,0 4,0 15,0 1,5 27,0 41,0 39,0 38,1 51,0 7,3 63,0 1,1 4,0 0,0 16,0 0,0 28,0 0,0 40,0 12,3 52,0 1,8 64,0 4,0 5,0 6,2 17,0 0,7 29,0 1,8 41,0 0,4 53,0 0,4 65,0 6,5 6,0 0,7 18,0 0,0 30,0 2,9 42,0 7,3 54,0 0,4 66,0 0,0 7,0 0,0 19,0 0,0 31,0 0,4 43,0 4,4 55,0 1,8 67,0 0,0 8,0 0,0 20,0 9,1 32,0 30,8 44,0 1,1 56,0 0,0 68,0 0,0 9,0 0,0 21,0 33,4 33,0 10,9 45,0 5,1 57,0 1,5 69,0 1,8 10,0 0,0 22,0 1,5 34,0 86,4 46,0 72,2 58,0 0,0 70,0 8,0 11,0 13,1 23,0 1,1 35,0 137,2 47,0 61,0 59,0 48,3 71,0 0,0 12,0 0,4 24,0 18,5 36,0 20,7 48,0 4,7 60,0 0,4 72,0 34,1

Tổng lượng mưa PMP trong 72h là 1724mm - Lượng mưa PMP 1 ngày là 1235mm

Phân phối mưa cực hạn lưu vực Định Bình như hình 2.4

Hình 2.4 Phân phối mưa PMP hồ Định Bình

Phân phối mưa cực hạn lưu vực Định Bình

b Kết quả tính toán lũ cực hạn (PMF)

Sau khi tính toán được phân phối mưa cực hạn trên lưu vực thì tiến hành diễn toán từ mưa PMP sang dòng chảy lũ PMF Sử dụng chương trình LTK05 để tính toán chuyển đổi từ mưa cực hạn sang lũ cực hạn, kết quả như bảng 2.4

Kết quả tính toán cho thấy đỉnh lũ PMF lên đến 21.275mP

3

P

/s

Phân phối mưa PMP và dường quá trình lũ PMF đến đập Định Bình như hình 2.5

c Nhận xét kết quả tính toán

Tổng hợp một số công trình đã tính toán lũ cực hạn như bảng 2.5 Qua bảng này ta thấy tỷ lệ lưu lượng lũ PMF trên lưu lượng lũ P=0,1% của công trình Định Bình là 2,2 khá phù hợp với kết quả tính toán lũ PMF của 2 công trình thủy điện Trung Sơn và Sơn La Vì vậy có thể chấp nhận kết quả tính toán lũ cực hạn của công trình Định Bình

Bảng 2.5 Kết quả tính toán lũ PMF của một số công trình thủy điện

TT Nội dung Đơn vị Trung Sơn Sơn La Định Bình

2.3 Tính toán điều tiết lũ qua công trình

q: lưu lượng xả qua công trình (mP

3

P

/s) m: hệ số lưu lượng của công trình

B: Tổng bề rộng tràn nước (m)

ε: Hệ số co hẹp bên

σ : Hệ số chảy ngập

g: Gia tốc trọng trường

hR o R: Cột nước trên đỉnh tràn có kể đến vận tốc tới gần

- Đối với lỗ chảy tự do: q= µω 2gh (2.3.4)

µ : hệ số lưu lượng của công trình

W: Diện tích cửa ra công trình xả (mP

µ : hệ số lưu lượng của công trình

W: Diện tích cửa ra công trình xả (mP

2

P

)

g: Gia tốc trọng trường

ZR t R: Cao độ mực nước thượng lưu có kể đến vận tốc tới gần

ZR h R: Cao độ mực nước hạ lưu công trình

* Các quan hệ phụ trợ:Đường quan hệ mực nước dung tích Z~V; đường quan hệ mực nước và lưu lượng hạ lưu: Q~ZR h R; các thông số công trình

2.3.2 Xây dựng phần mềm tính toán điều tiết lũ với mực nước vượt đỉnh đập chắn

* Sự cần thiết:

- Hạn chế của các phần mềm điều tiết lũ hiện nay: Hiện nay các phần

mềm tính toán điều tiết lũ cho công trình là khá nhiều và dễ sử dụng.Tuy nhiên đa số các phần mềm điều tiết lũ của Việt Nam chưa đề cập đến vấn đề

lũ tràn đỉnh đập dâng chắn với chiều rộng B tăng dần theo mực nước trên đỉnh đập chắn Bên cạnh đó các phần mềm đều sử dụng một công thức để tính toán

hệ số lưu lượng (m) hay sử dụng hệ số m cố định Thực tế khi thí nghiệm mô

hình vật lý của công trình tràn tổng thể sẽ cho đường quan hệ Q~ZR hồ R, đây là đường quan hệ phản ánh sát thực tế nhất trong quá trình vận hành sau này vì dongc chảy vào tràn được mô phỏng đúng với thực tế Nếu đưa được quan hệ Q~ZR h ồ Rvào quá trình tính toán điều tiết lũ thì sẽ cho kết quả chính xác hơn

- Trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay, tình hình mưa lũ ngày càng

phức tạp vì vậy khả năng xuất hiện dòng chảy lũ vượt thiết kế ngày càng nhiều hơn Khi lũ đến hồ vượt thiết kế thì cũng có khả năng mực nước hồ sẽ tràn đỉnh đập gây nguy cơ mất an toàn cho đập

- Ở hạ du các con đập lớn thường là các đô thị phát triển do vậy việc đảm bảo an toàn đập là một yêu cầu rất cấp thiết Và việc đánh giá các sự cố làm giảm khả năng tháo của công trình như kẹt cửa van của đập tràn dẫn đến

mực nước tràn đỉnh đập là một vấn đề cần được nghiên cứu để có giải pháp ứng phó

- Từ những nhận định trên cho thấy cần thiết có một phần mềm có tính

tiện dụng hơn: có thể đưa quan hệ Q~Zhồ vào tính toán; có thể tính toán lưu lượng ứng với mực nước vượt đỉnh đập chắn (với chiều rộng trên đỉnh đập

mở rộng dần) Tác giả luận văn đã xây dựng một phần mềm tính toán điều tiết

lũ để giải quyết những vấn đề trên

* Sơ đồ khối tính toán

Nguyên lý chung của giải bài toán điều tiết lũ là dựa vào hệ phương trình: phương trình cân bằng nước (2.3.1) và phương trình động lực (2.3.2) Tác giả sử dụng phương pháp lặp trực tiếp để giải hệ phương trình này, sơ đồ

khối để giải hệ phương trình như hình 2.65 Ngôn ngữ sử dụng để lập trình là Visual basic 6.0