nghiên cứu bài toán vỡ đập hồ đồng nghệ thành phố đà nẵng, từ đó kiến nghị giải pháp phòng tránh cho khu vực hạ du

Với các lợi thế và ưu điểm nổi bật, việc sử dụng mô hình toán để nghiên cứu chế độ thủy lực của một dòng sông là hoàn toàn có thể thực hiện được.. Hệ phương trình truyền sóng lũ được viế

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Các thảm họa thiên nhiên là mối đe dọa nghiêm trọng tới cuộc sông trên Trái Đất và quá trình phát triển bền vững của nhân loại Trong số các mối nguy hiểm của thiên nhiên, lũ lụt là một trong số các thảm họa thiên nhiên nghiêm trọng nhất Chúng chiếm tới 30% tổng số thảm họa thiên nhiên, 30% tổng thiệt hại về kinh tế,

và khoảng 20% số tử vong do thảm họa thiên nhiên gây ra

Ở Việt Nam nói chung và Đà Nẵng nói riêng lũ lụt là một trong các mối nguy hiểm rất nghiêm trọng, có các khu vực xảy ra lũ quét trên phạm vi rộng, những trận lũ lớn gây mất an toàn, phá vỡ tính nguyên vẹn cho công trình và dẫn tới gây lũ lụt cho vùng hạ du

Riêng trên địa bàn thành phố Đà Nẵng có 21 hồ chứa nước, trong đó có 19

hồ thuộc loại nhỏ, hồ Đồng Nghệ và Hòa Trung thuộc loại vừa Nhiệm vụ chủ yếu của các hồ chứa này là cấp nước tưới, sinh hoạt cho khu vực hạ lưu Không có hồ nào có nhiệm vụ phòng lũ, do đó khi có lũ đến hồ chứa thì các hồ này cần phải xả lũ

để đảm bảo an toàn cho chính công trình Những đợt xả lũ này thường gây ảnh hưởng rất lớn đến hạ lưu, nếu kết hợp với các yếu tố bất lợi khác như mực nước lũ trong sông cao, triều cường ở cửa sông thì thiệt hại là vô cùng to lớn Một sự cố khác cũng rất nguy hiểm nếu để xảy ra đó là vỡ đập hồ chứa Khi xảy ra, một lượng nước rất lớn trong hồ chứa sẽ tràn xuống hạ lưu và gây ra những tổn thất nặng nề về dân sinh - kinh tế - chính trị - xã hội của khu vực bị ảnh hưởng

Những hiện tượng trên hoàn toàn có thể xảy ra và thời gian xuất hiện thì không được định trước, vì thế cần có một chương trình hành động phù hợp để ứng phó

Một kế hoạch được chuẩn bị một cách khoa học, chi tiết chắc chắn sẽ ứng phó hiệu quả với những hiện tượng bất thường của thiên tai và giảm thiểu được những tác hại của lũ lụt

Để có một kế hoạch chi tiết, khoa học cần phải thực hiện tính toán nhiều phương án, phân tích nguyên nhân và hiện tượng gây lũ để từ đó có những biện pháp hợp lý

Vì các lý do trên cho thấy nghiên cứu bài toán vỡ đập, kiến nghị giải pháp phòng tránh cho khu vực hạ du là hoàn toàn hợp lý và rất cấp thiết của người dân trong khu vực hạ du công trình

II Mục tiêu của Đề tài:

Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính bài toán vỡ đập Từ đó vận dụng tính toán các kịch bản khi vỡ đập đối với hồ Đồng Nghệ và kiến nghị giải pháp ứng phó cho khu vực hạ du hồ Đồng Nghệ nhằm phòng tránh hoặc giảm nhẹ thiệt hại cho các khu dân cư, cơ sở kinh tế, an ninh, quốc phòng

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

- Cách tiếp cận của Đề tài là:

+ Thu thập, phân tích và tổng hợp kế thừa các tài liệu thực tế của khu vực nghiên cứu

+ Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về tính toán bài toán thủy lực khi xảy ra vỡ đập

+ Vận dụng để tính toán, xây dựng phương án ứng phó cho khu vực hạ du một cách hợp lý

- Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu tổng quan; phương pháp kế thừa; phương pháp mô phỏng, mô hình

IV Các kết quả đạt được:

- Xác định hoặc dự kiến được các kịch bản có thể xảy ra trong trường hợp vỡ đập Tính toán các bài toán thủy lực về bài toán vỡ đập ứng với các kịch bản đó

- Xây dựng được phương án ứng phó khi vỡ đập cho hạ du hồ Đồng Nghệ

Đề ra được phương án bảo vệ, phòng tránh hoặc giảm nhẹ thiệt hại, cho các khu dân

cư, cơ sở kinh tế, an ninh, quốc phòng, là cơ sở để đưa ra bản đồ quy hoạch một cách hợp lý

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ CÁC SỰ CỐ

XẢY RA ĐỐI VỚI ĐẬP ĐẤT KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ

1.1 Điều kiện tự nhiên

Khu vực Trung Trung Bộ gồm 8 tỉnh, thành phố là : Quảng Ngãi, Quảng Nam, Đà Nẵng, Thừa Thiên Huế, Quảng Trị và Quảng Bình

+ Phía bắc giáp tỉnh Hà Tĩnh

+ Phía nam giáp tỉnh Bình Định

+ Phía đông giáp Biển Đông

+ Phía tây giáp Lào

8B

1.1.2 Đặc điểm địa hình

Địa hình trong lưu vực phần lớn là đồi núi, riêng phía Đông giáp biển là đồng bằng nhỏ hẹp có địa hình thấp dưới 30 m bị chia cắt bởi nhiều dãy núi đâm ngang sát biển Phía tây là vùng núi, gò, đồi Chuyển tiếp từ vùng núi cao xuống đồng bằng là vùng trung du với những đồi núi thấp có độ cao (100-800) m

9B

1.1.3 Đặc điểm thổ nhưỡng

Đất được phát triển trên các loại đá mẹ, gồm các loại chính dưới đây:

- Nhóm đất mùn trên núi cao;

- Nhóm đất feralít phát triển trên đá mác ma và các loại đá khác, phân bố rộng rãi ở vùng đồi núi thấp;

hơi ẩm nhiệt đới; kiểu rừng cây thưa, lá rộng hơi khô nhiệt đới và kiểu rừng cây lá kim hơi khô nhiệt đới Ngoài ra, còn có các trảng cỏ, cây bụi

Rừng bị tàn phá, khai thác thiếu qui hoạch Tính đến năm 2006, diện tích rừng trong tỉnh Quảng Nam khoảng 457,7.103 ha, trong đó rừng tự nhiên 396,3.103

ha, rừng trồng 61,4.103 ha, tỷ lệ rừng che phủ khoảng 43,9%

1.1.5 Đặc điểm khí hậu, thủy văn

a Đặc điểm chung

Khí hậu chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa có những tác động mạnh mẽ của các yếu tố biển đông Mặt khác do tác động chắn gió của dãy Trường Sơn đã tạo những biến đổi sâu sắc về khí hậu trong vùng mà đặc biệt là sự biến đổi của mưa theo không gian dẫn đến sự phân hóa sâu sắc chế độ dòng chảy theo mưa của các hệ thống sông ngòi trong vùng

Trong năm khí hậu chia làm hai mùa: mùa đông và mùa hè Giữa hai mùa không có sự chênh lệch lớn về nhiệt độ không khí nhưng lại có sự tương phản sâu

sắc trong chế độ mưa Lượng mưa năm trung bình nhiều năm trên khu vực biến đổi trong khoảng (2000÷5000)mm nhưng lại có sự biến đổi rất lớn theo không gian, theo độ cao lưu vực

Vào mùa đông hướng gió thịnh hành chính là gió mùa Đông Bắc Gió mùa Đông Bắc khi đi vòng qua biển đã bị biến tính hoàn toàn, khối không khí ấm và ẩm hơn tạo ra thời tiết mát, ẩm Hoạt động của gió mưa Đông Bắc kết hợp với các nhiễu thời tiết (áp thấp nhiệt đới, bão, xoáy, giải hội,…) cùng với tác động chắn gió

của dãy Trường Sơn là nguyên nhân gây mưa lớn đến rất lớn trên toàn khu vực Vào mùa hè, hướng gió thịnh hành chính là gió Tây Nam Gió Tây Nam từ Bắc Ấn Độ dương thổi tới gặp dãy Trường Sơn, hiệu ứng Font diễn ra mạnh mẽ đã để lại lượng mưa lớn bên sườn Tây Trường Sơn và Tây Nguyên, khi vượt sang sườn Đông Trường Sơn khối không khí trở nên khô, nóng tạo ra hiện tượng gió Lào và mang

lại một thời kỳ khô hạn kéo dài ở miền trung Việt Nam

Tóm lại, khí hậu vùng lưu vực nghiên cứu mang đậm nét khí hậu gió mùa Hoạt động của gió mùa, tín phong Đông Bắc kết hợp với các nhiễu động nhiệt đới ở biển Đông cùng với tác động của dãy Trường Sơn đã tạo ra nơi đây một mùa khô,

nóng, mưa ít kéo dài, một mùa mưa với liên tiếp những trận mưa có cường độ lớn, trên diện rộng là nguyên nhân gây hạn hán nghiêm trọng vào mùa khô, lũ lụt ác lỉệt vào mùa mưa trên toàn khu vực Trung Trung bộ nói chung và lưu vực tuyến công trình nói riêng

11B

Lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng (140-150) kcal/cmP

2 P

Cân bằng bức xạ trung bình năm khoảng (75-100) kcal/cmP

2 P

Số giờ nắng trung bình năm từ dưới 1800 giờ ở vùng núi cao đến 2260 giờ tại Đà Nẵng Số giờ nắng trung bình của từng tháng là 200-255 giờ trong mùa hè và dưới 150 giờ trong mùa đông Tháng VII là tháng có số giờ nắng trung bình cao nhất, tháng XII có số giờ nắng thấp nhất

Bảng 1.1 Số giờ nắng trung bình tháng một số trạm trong

khu vực Trung Trung Bộ (giờ)

Kỳ 138,6 151,9 211,4 223,5 257,8 235,8 254,0 230,3 197,2 157,0 109,0 88,9 2255,4 Trà

88%, vùng núi có thể đạt 90 ÷ 95% Các tháng mùa khô vùng đồng bằng ven biển chỉ còn dưới mức 80%, vùng núi còn 80 ÷ 85% Độ ẩm không khí vào những ngày thấp nhất có thể xuống tới mức 20 ÷ 30%

Bảng 1.2 Độ ẩm không khí tương đối trung bình một số trạm trong

khu vực Trung Trung Bộ (%)

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Độ ẩm không khí tương đối trung bình (%)

Đà Nẵng 84 84 83 83 79 76 75 77 82 84 85 85 81 Tam Kỳ 87 87 84 82 79 77 76 77 83 86 88 88 83 Trà My 89 87 84 82 84 84 84 84 88 90 93 92 87

13B

Nhiệt độ không khí trung bình năm khoảng 24-26P

0 P

C, giảm từ đồng bằng ven biển lên miền núi theo sự tăng cao của địa hình Nhiệt độ tối cao tuyệt đối có thể trên 40P

C ở vùng núi

Bảng 1.3 Nhiệt độ không khí trung bình một số trạm trong

khu vực Trung Trung Bộ (oC)

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Nhiệt độ không khí trung bình (oC)

Đà Nẵng 21,4 22,3 24,1 26,4 28,3 29,3 29,3 28,9 27,5 25,9 24,1 22,1 25,8 Tam Kỳ 21,4 22,6 24,4 26,7 28,1 28,8 28,9 28,6 27,2 25,5 23,8 21,7 25,6 Trà My 20,6 22,0 24,1 26,1 26,8 26,9 26,9 26,9 25,7 24,2 22,4 20,6 24,4

14B

- Lượng bốc hơi phụ thuộc vào yếu tố khí hậu: nhiệt độ không khí, nắng, gió,

độ ẩm Lượng bốc hơi trung bình trên lưu vực khoảng 680 ÷ 1040mm, ở vùng núi

lượng bốc hơi khoảng 680 ÷ 800mm, ở vùng đồng bằng ven biển lượng bốc hơi khoảng 880 ÷ 1.050mm

Bảng 1.4 Bốc thoát hơi tiềm năng trung bình tháng một số trạm trong

khu vực Trung Trung Bộ (mm)

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Bốc thoát hơi tiềm năng (mm)

Đà Nẵng 80,7 86,7 121,0 134,9 155,5 152,3 158,6 151,5 126,8 107,9 91,0 73,0 1439,8 Tam Kỳ 77,0 86,8 126,1 140,1 160,5 155,8 163,5 157,5 134,0 106,4 82,6 71,4 1461,6 Trà My 62,0 74,4 107,6 119,0 128,0 119,7 124,0 121,7 102,5 83,4 59,0 51,3 1152,5

15B

Lượng mây tổng quan trung bình năm biến đổi trong phạm vi (5-7,7)/10 bầu trời, có xu thế tăng dần từ đồng bằng lên miền núi.Tốc độ gió bình quân hàng năm vùng núi đạt 0,7 ÷ 1,3 m/s, trong khi đó vùng đồng bằng ven biển đạt 1,3 ÷ 1,6 m/s Tốc độ gió lớn nhất đã quan trắc được ở Trà My mùa hạ đạt 34 m/s trong mùa mưa đạt 25 m/s Vùng đồng bằng ven biển gió thường mạnh hơn và đạt 40 m/s như ở Đà Nẵng khi có bão

Bảng 1.5 Tốc độ gió trung bình tháng một số trạm trong

khu vực Trung Trung Bộ (m/s)

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Tốc độ gió (m/s)

Đà Nẵng 1,5 1,8 1,9 1,7 1,6 1,2 1,3 1,2 1,4 1,7 2,1 1,6 1,6 Tam Kỳ 1,5 1,5 1,7 1,8 1,9 1,9 1,8 1,8 1,8 1,9 2,4 1,8 1,8 Trà My 0,8 1,0 1,0 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,7 0,8 0,7 0,6 0,8

Lượng mưa năm phân bố rất không đều trong lưu vực, từ dưới 2.000 mm ở thung lũng sông Bung tăng lên tới trên 4.000 mm ở vùng núi, trong đó trung tâm mưa lớn Trà My - thượng nguồn sông Thu Bồn là trung tâm mưa lớn nhất ở Trung Trung Bộ, và là một trong một số trung tâm mưa lớn ở nước ta Lượng mưa trung bình tháng phân phối không đều trong năm và có dạng 2 đỉnh: đỉnh phụ vào tháng V-VI do mưa tiểu mãn gây ra, đỉnh lớn nhất năm vào tháng X hay tháng XI Mùa mưa hàng năm thường chỉ kéo dài 4 tháng, từ tháng IX đến tháng XII, nhưng lượng mưa mùa này chiếm tới (60-75)% lượng mưa năm Mùa khô (mùa mưa ít) tuy kéo dài tới 8 tháng, nhưng lượng mưa mùa này chỉ chiếm (25-40)% lượng mưa năm, trong đó lượng mưa của 3 tháng liên tục nhỏ nhất chỉ chiếm (3-6)% và thường xuất hiện vào các tháng I-III ở phần phía tây lưu vực và các tháng II-IV ở các nơi khác

Về mùa hạ, trong khi mùa mưa đang diễn ra trong phạm vi cả nước thì ở các tỉnh Trung Trung Bộ, do hiệu ứng phơn phía sườn khuất gió (phía Đông Trường Sơn), đang là mùa khô kéo dài với những ngày thời tiết khô nóng, đặc biệt ở vùng đồng bằng ven biển và các thung lũng thấp

Thời kỳ cuối mùa hạ đầu mùa đông gió mùa Đông Bắc đối lập với hướng núi, kèm theo là những nhiễu động như fron cực đới, xoáy thấp, bão và hội tụ nhiệt đới cuối mùa đã thiết lập mùa mưa ở Quảng Nam, Đà Nẵng và các tỉnh, thành phố ven biển Trung Trung Bộ

Mùa mưa kéo dài từ tháng IX đến tháng XII, mùa khô từ tháng I đến tháng VIII Riêng tháng V và tháng VI xuất hiện đỉnh mưa phụ, càng về phía Tây đỉnh mưa phụ càng rõ nét hơn, hình thành thời kỳ tiểu mãn trên lưu vực sông Bung

Thành phần lượng mưa trong mùa nhiều mưa chiếm 65 ÷ 80% lượng mưa cả năm, thành phần lượng mưa trong mùa ít mưa chỉ chiếm 20 ÷ 35% lượng mưa cả năm Tuy nhiên thời kỳ mưa lớn nhất vùng nghiên cứu thường tập trung vào 2 tháng là tháng X và tháng XI, thành phần lượng mưa trong 2 tháng này chiếm 40 ÷ 50% lượng mưa cả năm

Bảng 1.6 Lượng mưa trung bình tháng, năm một số trạm trong

lưu vực Trung Trung Bộ (mm)

TT Tên trạm Lượng mưa trung bình tháng, năm (mm)

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

ở vùng đồng bằng ven biển đến trên 100 l/s.kmP

2

Pở thượng nguồn sông Thu Bồn Tổng lượng dòng chảy năm trung bình nhiều năm khoảng 20,4 kmP

3 P

, (chiếm 2,4%) tổng lượng dòng chảy năm của các sông suối của nước ta

Mức bảo đảm nước bình quân trong 1 năm trên 1 kmP

2

P diện tích khoảng 1.970.10P

3

P

mP

3 P

/kmP 2 P

và 16.300 mP

3 P

/người (theo dân số năm 2005 khoảng 1,25 triệu người)

Dòng chảy phân phối không đều trong năm, lượng dòng chảy trong 3 tháng mùa lũ (các tháng X-XII) chiếm khoảng (65-70)% dòng chảy năm; trong khi đó, mùa cạn kéo dài tới 9 tháng (các tháng I-IX), nhưng lượng dòng chảy trong mùa này chỉ chiếm (30-45)% dòng chảy năm Dạng phân phối dòng chảy trong năm có 2 đỉnh: đỉnh chính xuất hiện vào tháng XI, đỉnh phụ xuất hiện vào tháng V do mưa tiểu mãn gây ra Ba tháng liên tục có lượng dòng chảy nhỏ nhất xuất hiện vào các tháng II-V hay III-V tuỳ thuộc vào sự xuất hiện của lũ tiểu mãn, lượng dòng chảy của 3 tháng này chỉ chiếm khoảng (5-10)% lượng dòng chảy năm

Mô đun dòng chảy năm trung bình thời kỳ nhiều năm (1977-1999) biến đổi trong phạm vi từ dưới 30 l/s.km2 ở vùng đồng bằng ven biển đến hơn

Bảng 1.7 Lưu lượng trung bình tháng, năm tại một số trạm trong

lưu vực Trung Trung Bộ (mP

3 P

/s)

TT Trạm Sông Lưu lượng trung bình tháng, năm (mP

3 P

) vào ngày 20/X/1998 tại trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, 10.800

/s.kmP 2 P

) vào 12/XI/2007 tại trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn Theo điều tra, trận lũ XI/1964 là trận lũ lịch sử sông Thu Bồn với Qmax=18.200

/s.kmP 2 P

) tại Nông Sơn Từ đó có thể nhận thấy, lũ trên sông Thu Bồn thuộc loại lớn so với sông khác ở Việt Nam Các trận lũ lớn và đặc biệt đã gây ngập lụt nghiêm trọng ở vùng đồng bằng hạ lưu

Bảng 1.8 Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất một số

trạm trong lưu vực Trung Trung Bộ

Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất Lưu lượng nhỏ nhất

Q (mP 3 P

/s)

M (mP 3 P

/s.kmP 2 P

)

Thời gian xuất hiện

Q (mP 3 P

/s)

M (l/s.kmP

2 P

)

Thời gian xuất hiện

1 Thành Mỹ Vu Gia 7000 3,78 20/XI/1998 11,3 6,11 4/IX/1988

2 Nông Sơn Thu Bồn 10800 3,42 20/XI/2007 14,6 4,63 17/VI/1977

, môđun trung bình 3 tháng nhỏ nhất (MR 3tháng min R) là (7,5-30) l/s.kmP

2 P

, môđun tháng nhỏ nhất (MR tháng min R) là (6-20) l/s.kmP

2 P

, môđun nhỏ nhất (MR min R) là 15) l/s.kmP

/s (6,11 l/s.kmP

2 P

) vào ngày 4/IX/1988 tại Thành Mỹ trên sông Vu Gia, 14,6 mP

3 P

/s (4,63 l/s.kmP

2 P

vào ngày 17/VI/1977) tại Nông Sơn trên sông Thu Bồn

1.2 Các sự cố xảy ra gây phá hủy đập đất khu vực Trung Trung Bộ

1.2.1 Những sự cố thường gặp và nguyên nhân gây ra sự cố ở đập đất

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Tính toán thủy văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ, tổng lượng lũ nhỏ hơn thực tế, các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi, thiếu lưu vực, lập cong dung tích hồ W=f (H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả lũ của đập tràn Q=f (H) sai lệch với thực tế

- Cửa đập tràn bị kẹt

- Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn xả lũ dự phòng

- Đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Tính sai cấp bão

- Biện pháp thiết kế gia cố mái không đủ sức chịu đựng sóng do bão gây ra

- Thi công lớp gia cố kém chất lượng : Kích thước đá lát hoặc tấm bê tông nhỏ hơn thiết kế, chất lượng đá hoặc bê tông kém, đá lát đặt nằm, không chèn chặt các hòn đá

- Đất mái đập thượng lưu đầm nện không chặt, hoặc không xén mái

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Đánh giá sai tình hình địa chất nền, sót lớp thấm mạnh không được xử lý

- Biện pháp thiết kế xử lý nền không đảm bảo chất lượng

- Chất lượng xử lý nền kém: khoan phụt không đạt yêu cầu; hót không sạch lớp bồi tích; thi công chân khay, sân phủ kém dẫn đến thủng lớp cách nước

- Xử lý tiếp giáp nền và thân đập không tốt do thiết kế không đề ra biện pháp

xử lý, hoặc do khi thi công không thực hiện tốt biện pháp xử lý

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc biện pháp xử lý đề ra không tốt

- Không bóc hết lớp thảo mộc ở các vai đập

- Đầm nện đất trên đoạn tiếp giáp ở các vai đập không tốt

- Thi công biện pháp xử lý tiếp giáp không tốt

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Thiết kế không đề ra biện pháp xử lý hoặc biện pháp xử lý đề ra không tốt

- Đắp đất ở mang công trình không đảm bảo chất lượng : chất lượng đất đắp không được lựa chọn kỹ, không dọn vệ sinh sạch sẽ để vất bỏ các tạp chất trước khi đắp đất, đầm nện không kỹ

- Thực hiện biện pháp xử lý không đảm bảo chất lượng

- Hỏng khớp nối của công trình

- Cống bị thủng

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Bản thân đất đắp đập có chất lượng không tốt, hàm lượng cát, bụi dăm sạn nhiều, hàm lượng sét ít, đất bị tan rã mạnh

- Kết quả khảo sát sai với thực tế, cung cấp sai các chỉ tiêu cơ lý lực học, do khảo sát sơ sài, khối lượng khảo sát thực hiện ít, không thí nghiệm đầy đủ các chỉ tiêu cơ lý lực học cần thiết, từ đó đánh giá sai chất lượng đất đắp

- Chọn dung trọng khô thiết kế quá thấp, đất sau khi đầm vẫn tơi xốp, bở rời

- Không có biện pháp thích hợp để xử lý độ ẩm, do đó độ ẩm của đất đắp không đều, chỗ khô chỗ ẩm, làm cho đất sau khi đắp có chỗ chặt có chỗ vẫn rời rạc tơi xốp

- Đất được đầm nện không đảm bảo độ chặt yêu cầu do: lớp đất rải dày quá qui định, số lần đầm ít, nên đất sau khi đắp có độ chặt không đồng đều, phân lớp, trên mặt thì chặt phía dưới vẫn còn tơi xốp không đạt độ chặt qui định, hình thành từng lớp đất yếu nằm ngang trong suốt cả bề mặt lớp đầm

- Thiết kế và thi công không có biện pháp xử lý khớp nối thi công do phân đoạn đập để đắp trong quá trình thi công

- Thiết kế tiêu nước bị tắc

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Nước hồ chứa dâng cao đột ngột gây ra tải trọng trên mái đập thượng lưu tăng đột biến

- Nước hồ rút xuống đột ngột gây ra giảm tải đột ngột trên mái thượng lưu

- Nền đập bị lún trên chiều dài tim đập

- Đất đắp đập khối thượng lưu có tính lún ướt hoặc tan rã mạnh nhưng khảo sát không phát hiện ra hoặc có phát hiện ra nhưng thiết kế kết cấu đập không hợp lý

Do đất đắp đập thuộc loại trương nở tự do mạnh

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Bão lớn sóng to kéo dài, đầu tiên phá hỏng lớp gia cố, tiếp đó phá khối đất

ở phần thượng lưu thân đập

- Nước hồ rút đột ngột ngoài dự kiến thiết kế

- Sức bền của đất đắp đập không đảm bảo các yêu cầu của thiết kế

- Thiết kế chọn tổ hợp tải trọng không phù hợp với thực tế

- Thiết kế chọn sai sơ đồ tính toán ổn định

- Chất lượng thi công đất đắp đập không đảm bảo yêu cầu thiết kế

- Địa chất nền đập xấu không được xử lý

Do các nguyên nhân sau đây gây ra:

- Địa chất nền xấu hơn dự kiến của thiết kế do khảo sát đánh giá không đúng với thực tế

- Sức bền của đất đắp đập kém hơn dự kiến của thiết kế do đánh giá sai các chỉ tiêu về chất lượng đất đắp đập

- Nền đập bị thoái hóa sau khi xây dựng đập nhưng khi khảo sát và thiết kế

đã không dự kiến được

- Thiết kế chọn sai tổ hợp tải trọng

- Thiết kế chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán

- Chất lượng thi công đất đắp đập không đảm bảo

- Thiết bị tiêu nước bị tắc làm dâng cao đường bão hòa

- Tiêu thoát nước mưa trên mặt mái hạ lưu không tốt, khi mưa kéo dài toàn thân đập bị bão hòa nước ngoài dự kiến của thiết kế

Theo thống kê các sự cố gây phá hủy đập đất thì:

+ Sạt mái thượng lưu là: 25,84 % ;

1.2.2 Các sự cố xảy ra gây phá hủy đập đất khu vực Trung Trung Bộ

Các sự cố xảy ra gây phá hủy đập đất khu vực Trung Trung Bộ chủ yếu là do

thấm, cống lấy nước bị hỏng, và sạt lớp gia cố mái đập thượng lưu … như hai công trình là công trình thủy lợi Phú Ninh và công trình Đập Vực Tròn

- Được xây dựng trên sông Tam Kỳ, huyện Tam kỳ, tỉnh Quảng Nam Hệ

thống công trình gồm có:

+ Một đập chính bằng đất cao 40m, dài 561m;

+ Hai đập tràn xả lũ với lưu lượng thiết kế là 2.369 mP

3 P

/s;

+ Hai công lấy nước với lưu lượng thiết kế là 32,30 mP

3 P

/s ; + Một nhà máy thủy điện sau đập kết hợp tưới có công suất lắp máy

NR lm R=2.000 KW;

+ Kênh chính dài 60 km, kênh cấp 1,2 và cấp 3 dài 300 km

- Sự cố xảy ra ở công trình Phú Ninh là đập chính bị sủi nước ở hạ lưu, đập phụ Tứ Yên (cống Bắc) bị rò nước

Năm 1984 tại bãi đập ở chân mái đập hạ lưu và tại vùng tiếp giáp với tường thượng lưu nhà máy thủy điện đã xuất hiện nước rò rỉ , ban đầu lượng rò không lớn

nhưng đến năm 1986 lưu lượng nước rò rỉ đo được là Q=1,0 l/s Toàn bộ bãi đập ở chân mái hạ lưu bị ướt sũng nước đẩy lớp đất trồng cỏ trên mặt phồng lên và bùng nhùng như cao su, nhiều chỗ nước chảy ra thành vòi

Tại khu vực bãi đất tiếp giáp với tường thượng lưu của nhà máy thủy điện nước phun lên thành vòi cao tới 0,8÷1,0 m

Vị trí rò rỉ được trình bày ở hình 1.1:

Hình 1.1 Mặt bằng vị trí các khu rò nước đập phụ Tứ Yên - Công trình Phú Ninh

- Có 3 nguyên nhân được nêu ra là: do thấm mạnh qua đất đắp đập, do thủng hoặc gãy đường ống, do hỏng khớp nối

* Sự cố sủi nước mạnh ở đập chính:

- Kết cấu đập chính: Do chất lượng đất đắp đập tốt, khối lượng dồi dào nên đập đất được chọn là đập đồng chất, có chân khay đào xuyên qua lớp bồi tích và cắm vào đá gốc Tại chân đập thượng lưu có sân phủ Mặt cắt ngang đập được trình bày ở hình 1.2

- Mô tả sự cố

Đầu năm 1979, sau khi chặn dòng để đắp đập chính khi mức nước ở thượng lưu ở cao trình 4,00 m; cao hơn mực nước ở hạ lưu đập 3,0 m; thì ở bãi bồi hạ lưu đập bên phải xuất hiện 1 lỗ sủi nằm phía ngoài chân đập hạ lưu khoảng 15 m Lưu

lượng nước chảy ra khi phát hiện lỗ sủi là 2,0 l/s Sau đó lỗ sủi mở rộng ra và lưu lượng tăng lên đến 17,0 l/s

Công trường đã xử lý bằng cách làm 1 bãi cọc đè lên miệng hố sủi

Vào mùa lũ năm 1979, nước trong hồ dâng cao ở cao trình 25,40 m; chênh lệch cột nước thượng hạ lưu là 20,0 m; lưu lượng mạch sủi vẫn không tăng thêm và

ổn định ở trị số Q = 17,0 l/s

- Nguyên nhân: Qua nghiên cứu và phân tích thì nguyên nhân chính dẫn đến

sự cố là do thi công chân khay chống thấm có một số đoạn không đảm bảo chất lượng và do địa chất nền đập

* Giới thiệu về công trình:

Công trình thủy lợi Vực Tròn được bố trí tại xã Quảng Châu, huyện Quảng Trạch, tỉnh Quảng Bình Công trình bao gồm 1 hồ chứa nước với công trình đầu mối gồm có: 1 đập chính bằng đất cao 29,00 m dài 1040 m; 1 tràn xả lũ kiểu máng phun có 2 cửa cung B x H = 10 x 5 m; cống lấy nước Bắc có lưu lượng Q = 1,99

/s; đập phụ Bắc cao 9,0 m dài

240 m và đập phụ Nam cao 19,0 m dài 240 m Công trình có nhiệm vụ tưới cho 3.885 ha ruộng đất

- Công trình đã xảy ra những sự cố sau:

-2 P

cm/s

Để chống thấm đã khoan phụt vữa xi măng sét gồm 216 lỗ với tổng chiều dài

là 3682 m, phụt 16,50 T xi măng và 400 T sét để tạo ra màng chắn có bề rộng B ≥ 6,00 m Sau khi khoan phụt vữa hệ số thấm của màng chắn đạt được K = 1 x 10P

-5 P

-3

Pcm/s nên đã có văn bản số gửi Vụ Quản lý xây dựng cơ bản Bộ Thủy lợi, nhưng Vụ không chỉ đạo

xử lý

Tháng 3 năm 1984 khi hồ chứa tích nước lên đến cao trình 13,5 - 14,5 m thì đập chính xuất hiện 4 lỗ rò nước; trong đó có 2 lỗ ở cao trình 13,50 m và 2 lỗ ở cao trình 4,00 Lưu lượng ở mỗi lỗ rò là q = 5 - 10 l/s làm ướt sũng mái hạ lưu trên 1 băng dài 630 m theo tim đập

Tình hình thấm ngày càng phát triển, nên năm 1986 Bộ Thủy lợi đã cho khoan phụt thân đập trên chiều dài 270 m vì không có kinh phí để khoan phụt toàn

bộ

Tháng 10/1994 vẫn xuất hiện 3 vùng thấm mạnh:

+ Vùng 1 cách đập tràn 270 m ở cao trình từ 13 - 15 m trên chiều dài 100 m

+ Vùng 2 và 3 ở chân đập chính gần đập tràn xả lũ ở cao trình 14 - 15 m đã xuất hiện trước đây vào năm 1984 nhưng khi đó cho rằng vùng thấm này không có liên quan đến nước hồ nên không xử lý, nên nay vẫn bị thấm Vị trí các vùng thấm được trình bày ở hình 1.5

- Nguyên nhân gây ra sự cố:

Năm 1984 trong thời gian thi công đập chính sau khi đã chặn dòng phải đắp đập để vượt lũ, công trường đã dùng loại đất có nhiều dăm sạn ở gần đập để đắp Bãi đất này không nằm trong quy định của cơ quan thiết kế mà do Công ty TL6 hợp đồng với Viện Nghiên cứu khoa học thủy lợi khảo sát và thí nghiệm

Ngày 28/8/1984 Viện Khảo sát thiết kế thủy lợi đã cử cán bộ đến công trường để kiểm tra tại hiện trường và phát hiện công trường đã dùng loại đất có nhiều sạn sỏi và thấm mạnh để đắp đập Viện đã yêu cầu công trường hót bỏ nhưng

vì mùa lũ sắp đến nên công trường hứa là sau lũ sẽ hót bỏ nhưng thực tế vẫn không hót Viện Khảo sát thiết kế thủy lợi cũng đã có văn bản số 39 - KSTK/ TC1 ngày 15/9/1984 báo cáo Bộ Thủy lợi Tuy vậy vẫn không có sự chỉ đạo cương quyết để

thủy lợi - Công trình đập Vực Tròn

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về điều kiện tự nhiên và các sự cố xảy ra đối với đập đất khu vực Trung Trung Bộ Qua đó có thể nhận thấy rằng chế độ khí hậu khắc nghiệt cùng với những ảnh hưởng của các yếu tố như mạng lưới sông suối, địa hình, thảm phủ thực vật … đã tạo nên chế độ thủy văn của khu vực Trung Trung Bộ tương đối phức tạp và nhiều biến động, sự cố đập đất nói riêng của khu vực Trung Trung Bộ có thể xảy ra không lường trước được

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP

TÍNH BÀI TOÁN VỠ ĐẬP

2.1 M ục tiêu của việc tính bài toán vỡ đập

Mục tiêu chính của việc tính bài toán vỡ đập là để xác định lưu lượng lũ lụt cũng như độ sâu và diện tích bị ảnh hưởng trong trường hợp xảy ra sự cố vỡ đập Bên cạnh đó, thời gian nước lũ tràn đến các khu vực nhất định dọc phía hạ lưu sông, mức nước tối đa tại bất kỳ mặt cắt nào, lưu lượng xả tối đa và vận tốc dòng chảy tại bất kỳ mặt cắt nào cũng như (khoảng) thời gian mà các khu vực này bị ngập chìm cần được xác định Khi đã có các thông tin này, người dân sống tại các khu vực lân cận sông nhận xả lũ từ đập có thể được xác định và được thông báo trước hoặc được

sơ tán trước những hiểm họa hoặc thiên tai có thể xảy ra do ảnh hưởng của nước lũ

2.2 Các phương pháp tính thường dùng khi tính toán bài toán thủy lực xảy ra

+ Phương pháp mô hình tương tự điện

+ Phương pháp mô hình toán

- Phương pháp mô hình vật lý mô tả lại các hiện tượng thuỷ văn trong phòng thí nghiệm nhưng với không gian hay tỷ lệ thu nhỏ so với thực tế Đây là phương pháp khá hữu hiệu đã được ứng dụng nhiều để nghiên cứu thuỷ lực và dự báo diễn biến lòng sông Để sử dụng được một mô hình vật lý, chúng ta phải đầu tư rất nhiều thời gian, kinh phí và địa điểm xây dựng Phương pháp này rất khó để thoả mãn các điều kiện tương tự, đặc biệt là điều kiện tương tự về bùn cát nên sẽ có những sai lầm giữa mô hình và nguyên hình

- Phương pháp mô hình tương tự điện cũng cho bức tranh thủy lực nhưng

trong một phạm vi hẹp hơn và thường là cho từng công trình cụ thể nhờ sự tương tự

giữa các phương trình mô tả dòng điện, các phương trình mô tả dòng chảy và chủ yếu sử dụng cho các bài toán thấm Hai loại mô hình này ít mềm dẻo và khá tốn kém,

- Phương pháp mô hình toán:

Mô hình toán hiện nay được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học tự nhiên với lợi ích mang lại là ứng dụng thuận tiện, cho kết quả tương đối chính xác và thời gian ứng dụng nhanh, chi phí thấp

Với các lợi thế và ưu điểm nổi bật, việc sử dụng mô hình toán để nghiên cứu chế độ thủy lực của một dòng sông là hoàn toàn có thể thực hiện được Tuy nhiên,

để đạt được kết quả tốt, cũng có những yêu cầu nhất định cần phải đáp ứng, ngoài những yêu cầu về độ tin cậy của mô hình thì các số liệu phục vụ tính toán cũng phải

đủ nhiều và có chất lượng tốt Một trong những điều kiện quan trọng khác có thể làm nên sự thành công là khả năng của người sử dụng mô hình

Để nghiên cứu mô phỏng quá trình lũ, lũ do vỡ đập, mô hình toán thủy lực là một công cụ hữu ích và ngày nay được ưa dùng Khi mô hình được xây dựng cho một hệ thống thì tại một thời điểm bất kỳ và tại bất cứ đâu trên hệ thống cũng có thể trích xuất được quá trình lũ (mực nước và lưu lượng) Nếu kết hợp với mô hình 2 chiều ta có thể xây dựng được bản đồ ngập lụt vùng hạ lưu, từ đó có thể đề xuất các giải pháp phòng, chống và giảm nhẹ thiệt hại do lũ gây nên

Phương pháp nghiên cứu lũ do vỡ đập bằng phương pháp mô hình toán thủy lực được mô tả theo các bước sau:

Bước 1: Tìm hiểu hệ thống và thu thập các số liệu, tài liệu liên quan

Bước 2: Lựa chọn loại mô hình toán phù hợp phụ thuộc vào điều kiện tài

liệu, tình hình hiện tại và yêu cầu tính toán

Bước 3: Thiết lập mô hình toán cho khu vực nghiên cứu trên cơ sở những

hiểu biết về hệ thống và các số liệu, tài liệu thu thập được

Bước 4: Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình với các số liệu lũ đo đạc

Bước 5: Xây dựng và mô phỏng các kịch bản lũ có thể xảy ra để có thể nhìn

nhận tổng quan hơn về chế độ thủy lực và diễn biến của lũ các trường hợp khác nhau

20B

2.2.2 Một số mô hình có khả năng áp dụng

Mô hình toán thủy lực hiện có nhiều loại, từ những phiên bản miễn phí đến các phiên bản thương mại Về mặt lý thuyết, hầu hết đã tương đối phát triển, được công nhận và áp dụng rộng rãi Hầu hết những mô hình này đã được xây dựng thành các phần mềm máy tính để tiện lợi trong việc sử dụng, tuy nhiên mỗi loại đề có thiết

kế giao diện khác nhau nên dẫn đến sự đơn giản trong quá trình thiết lập cũng khác nhau Có loại dễ sử dụng và cũng có loại khá phức tạp, một vấn đề khác nữa cũng phụ thuộc là thói quen và sự thành thạo của người sử dụng vào loại mô hình ứng dụng

Có thể điểm qua một vài loại mô hình thủy lực thông dụng, về cơ sở lý thuyết, tính năng kỹ thuật, khả năng vận hành và yêu cầu số liệu

31B

2.2.2.1 Mô hình KOD

Do GS.TSKH Nguyễn Ân Niên đề xuất, ra đời từ năm 1974 Mô hình được lập ra để giải bài toán thuỷ lực nói chung và bài toán lũ nói riêng cho mạng lưới kênh sông

Ưu điểm chính của mô hình KOD là có thể tính cho mọi lưới sông ô chứa phức tạp nhất, độ chính xác cao tính toán đơn giản, gọn nhẹ, kết quả đáp ứng tốt các bài toán thực tế đặt ra

Nhược điểm chính của mô hình là bước thời gian ∆t bị hạn chế bởi điều kiện Courant - Lewy, nhưng mô hình không phải tính lặp các hệ số nên tốc độ tính toán vẫn nhanh chóng, không mất thời gian thành lập và giải hệ đại số tuyến tính tổng thời gian mỗi lớp tính cũng nhỏ

Tuy nhiên, mô phỏng hệ thống của KOD chưa thật đầy đủ ví dụ như quá trình trao đổi nước trên khu vực Các công trình trao đổi nước cũng như phương thức điều khiển chưa được xem xét đầy đủ nhất là thực trạng tiêu úng trong những

điều kiện tác động của con người trong quá trình điều khiển hệ thống Đây chính là hạn chế của mô hình

Do viện thuỷ lực Delf (nay là công ty Deltares) - Hà Lan xây dựng Là mô hình thuỷ động lực học sử dụng sơ đồ sai phân ẩn, mô hình cho phép tính: Thuỷ lực dòng hở, phù sa lơ lửng và xâm nhập mặn

Tính toán thuỷ lực dòng hở: Mô hình tính các đặc trưng thuỷ lực lòng dẫn như lưu lượng, mực nước, độ sâu dòng chảy, vận tốc trung bình mặt cắt, hệ số

Chezy Mô hình sử dụng thuận tiện, truy nhập số liệu dễ dàng, cho phép thay đổi mạng sông, các công trình thuỷ lực trên mạng Tuy nhiên mô hình chỉ quản lý mạng sông nhỏ hơn 400 mặt cắt và còn hạn chế khâu tính lượng mưa gia nhập vào dòng chảy, chưa xét đến sự điều tiết của các ô đồng ruộng như mô hình VRSAP, SOGREAH

HEC-RAS là một hệ thống mô hình thủy lực 1 chiều do Trung tâm kỹ thuật Thuỷ văn - Thuộc quân đội Hoa Kỳ (the Hydrologic Engineering Center) xây dựng

và phát triển thành chương trình máy tính HEC - RAS là phần mềm miễn phí được cung cấp trên mạng internet, hiện được sử dụng nhiều nơi trên thế giới Phần mềm HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System) là kết quả

nâng cấp phần mềm HEC-2 cả về kỹ thuật thuỷ lực và kỹ thuật lập trình Phiên bản 1.0 được công bố năm 1995 và đến nay đã qua nhiều lần cải tiến và phát triển qua nhiều phiên bản

Phần mềm HEC-RAS được thiết kế để phục vụ cho nhu cầu làm việc trong môi trường sử dụng đa mục tiêu Hệ thống bao gồm giao diện đồ hoạ, các thành phần phân tích thuỷ lực tách biệt, phần lưu trữ dữ liệu và các năng lực quản lí, đồ hoạ và các tính năng thực hiện báo cáo

Về cơ bản, hệ thống được cấu thành từ 3 thành phần phân tích thuỷ lực một chiều:

(1) Tính toán mực nước mặt cắt dọc sông cho dòng ổn định

(2) Mô phỏng dòng không ổn định

(3) Tính toán biến động của vận chuyển bùn cát

Điểm mấu chốt là cả 3 thành phần này sẽ sử dụng chung một bộ số liệu về địa hình, hình thái sông và các hàm tính thuỷ lực Để bổ sung vào 3 thành phần tính thuỷ lực, hệ thống còn có tính năng tính toán thiết kế thuỷ lực, những tính năng này

sẽ được gọi đến mỗi khi tính toán mực nước mặt cắt dọc sông được thực hiện

Mô hình HEC-RAS có khả năng thực hiện tính toán một chiều mực nước dọc sông cho dòng thay đổi đều, ổn định trong sông hoặc hệ thống kênh mương Mực nước dọc sông dòng chảy êm, dòng chảy xiết, và chế độ dòng chảy hỗn hợp có thể được tính toán

18T

SOBEK là một gói tổng hợp các phần mềm sử dụng trong lĩnh vực phát triển và quản lý nguồn nước SOBEK được phát triển bởi Viện thuỷ lực Deflt Hà Lan (Delft Hydraulic Institute) 28TSOBEK có 7 module và việc kết hợp các module này với nhau tạo ra ba sản phẩm28T 28Tcơ bản của SOBEK đó là: SOBEK28T 28TRURAL, SOBEK URBAN28T 28Tvà SOBEK17T28T-17T28TRIVER

Trong dòng sản phẩm SOBEK RURAL, module thuỷ lực đã được tích hợp

mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau được gọi là SOBEK - Overland Flow Mô hình

này tính 17Ttoán thuỷ lực của vùng ngập lũ (Độ sâu dòng chảy, vận tốc…) Mô hình có thể 27Tứ27Tng dụng trong hầu hết các nghiên cứu về quản lý và phát triển nguồn nước:

- Quy hoạch phòng chống lũ

- Phân tích vỡ đập

- Quản lý thiên tai

- Quy hoạch tái định cư

- Phân tích thiệt hại do lũ

- Phân tích rủi ro

- Quy hoạch cơ sở hạ tầng, phát triển nông thôn… SOBEK được thiết kế tích hợp với giao diện GIS Kết quả tính toán được xuất ra ngay dưới dạng bản đồ ngập lụt hoặc phân bố trường vận tốc

Mô hình lũ đồng bằng Sông Cửu Long do các chuyên gia thủy lực hãng SOGREAH - Pháp lập năm 1967 theo đơn đặt hàng của UNESCO Mô hình nghiên cứu sự truyền lũ trên châu thổ sông Mê Kông và cung cấp thông tin về điều kiện thủy văn và địa hình Mô hình đề cập đến cả hai mặt ý nghĩa vật lý và tính toán theo phương pháp số Dòng chảy lũ biến thiên theo không gian và thời gian (không gian hai chiều)

Hệ phương trình truyền sóng lũ được viết tương tự như phương trình truyền triều với thành phần cản tuân theo định luật Stricler, cùng với các giả thiết giản hóa khi tính toán thiết lập hệ phương trình liên tục cho một ô và phương trình động lực dòng chảy Mô hình SOGREAH thiết lập trên cơ sở hệ phương trình Saint-Venant viết cho dòng một chiều không ổn định trong kênh hở Do hạn chế của máy tính thời đó nên sơ đồ tính của mô hình rất đơn giản

2.2.2.7 35BBộ mô hình MIKE

Bộ mô hình MIKE là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI (Viện Thuỷ lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, cân bằng nước lưu vực, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác

Bộ mô hình MIKE là một trong những mô hình tiến tiến nhất thế giới hiện nay, được sử dụng trong hầu hết các trường đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị

tư vấn ở trong và ngoài nước với các lợi thế:

- Có cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh

- Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một số phần mềm chuyên dụng khác

Bộ mô hình MIKE bao gồm nhiều mô đun đảm nhận các công việc khác nhau như: MIKE 11 tính toán thủy lực mạng sông một chiều và các tiểu mô đun về tính thủy lực, tiểu mô đun tính dòng chảy từ mưa, tiểu mô đun cho tính lan truyền chất và vận chuyển bùn cát; MIKE 21 tính toán thủy lực hai chiều, MIKE FLOOD kếi nối giữa hai mô hình một và hai chiều để tính toán và xây dựng bản đồ tngập lụt, MIKE BASIN tính toán và quản lý, quy hoạch lưu vực,…

21B

Với các nội dung và các yêu cầu tính toán ở trên, đòi hỏi phải mô phỏng một

hệ thống tương đối phức tạp

Hiện nay, mô hình toán cũng có nhiều loại nhưng nhận thấy rằng bộ công cụ

mô hình MIKE của DHI có khả năng đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật như: Mô phỏng riêng lẻ từng loại mô hình (1 chiều, 2 chiều) và có khả năng ghép nối các mô hình với nhau để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh hơn Do đó, tác giả quyết định lựa chọn bộ công cụ mô hình họ MIKE để tính toán, bao gồm:

+ MIKE 11 để tính toán quá trình lan truyền lũ trong sông dạng 1 chiều + MIKE 21 để mô phỏng chi tiết hơn (2 chiều theo phương ngang) các đoạn sông cần quan tâm nghiên cứu và mô phỏng phần bãi lũ, ô trũng

+ MIKE FLOOD: là mô hình được sử dụng để kết nối mô hình thuỷ lực 1 chiều và mô hình thuỷ lực 2 chiều

2.2.3.1 Giới thiệu về mô hình MIKE 11

Mike 11 là mô hình động lực, một chiều nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, Mike11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng khác

Mô-đun thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của gói các ứng dụng của Mike 11 Trọn gói các ứng dụng của nó bao gồm dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn cát có và không có cố kết Mô-đun Mike 11HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên

tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint-Venant

a Cơ sở lý thuyết:

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint - Venant viết ra dưới dạng thực hành cho bài toán một chiều không gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dòng chảy dọc theo chiều dài dòng sông / kênh và theo thời gian Đối với hệ phương trình Saint - Venant, ta chỉ cần xác định một vài thông số thực nghiệm là nó sẽ biểu đạt đúng đắn hiện tượng, đáp số bằng cách mô phỏng những quá trình dòng chảy đã xảy ra và dự báo diễn biến trong tương lai theo các biện pháp cải tạo với độ tin cậy cao

Mô hình Mike 11 HD dựa trên giả thiết về dòng chảy một chiều trong sông: + Nước là chất lỏng không nén được và đồng nhất (bỏ qua sự biến đổi trọng lượng riêng)

+ Độ dốc đáy nhỏ (để cosi coi bằng 1)

+ Sóng lũ là sóng dài để đảm bảo dòng chảy luôn luôn song song với đáy (tức là bỏ qua thành phần dòng chảy thẳng đứng)

+ Dòng là êm (trong một số trường hợp đặc biệt, dòng chảy xiết cũng được

mô phỏng trong Mike 11)

A x

Q

=

∂

∂+

∂

∂

+ Phương trình động lượng:

0)

(

2

2

=+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

RA C

Q Q g x

h gA A

Q x t

Q

βα

Trong đó:

B: Chiều rộng mặt nước ở thời đoạn tính toán (m), h: Cao trình mực nước ở thời đoạn tính toán (m), t: Thời gian tính toán,

Q: Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (mP

3 P

/s), x: Không gian (dọc theo dòng chảy) (m), β: Hệ số phân bố lưu tốc không đều trên mặt cắt, q: Lưu lượng gia nhập dọc theo đơn vị chiều dài (mP

2 P

/s), C: Hệ số Chezy, được tính theo công thức: y

R n

n: Hệ số nhám, R: Bán kính thủy lực (m), y: Hệ số, theo Maning y = 1/6, g: Gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/sP

2 P

, α: Hệ số động năng

Q

j-1

h j+4

Hình 2.2 Các điểm nút tính toán trong mô hình Mike 11 Ngoài ra, Mike 11 còn có thể giải quyết được bài toán mạng sông có nhiều nhánh và nút tính toán

Để có thể giải chính xác và ổn định cho phương trình sai phân hữu hạn cần

có các điều kiện sau:

+ Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với Δx lựa chọn trên cơ sở này

+ Bước thời gian cần thiết cho một phương trình sóng, ví dụ như khoảng thời gian tối đa cho mô phỏng thủy triều là 30 phút

+ Điều kiện Courant được dùng để lựa chọn bước thời gian sao cho thỏa mãn đồng thời các điều kiện trên:

x

gx V

Cr trong khoảng 10-15 nhưng giá trị lớn hơn 100 đã được sử dụng

Đặc trưng cơ bản của mô hình Mike 11 là cấu trúc module tổng hợp với nhiều module, trong đó mỗi module mô phỏng một hiện tượng liên quan đến hệ

thống sông Các module trong bộ Mike 11:

+ Giải bài toán thủy động lực học Saint - Venant cho kênh hở

+ Giải bài toán sóng khuyếch tán, sóng động học cho sông, kênh

+ Giải bài toán Muskingum cho sông, kênh

+ Tự động hiệu chỉnh cho điều kiện dòng chảy êm, dòng chảy xiết

+ Mô phỏng hầu hết các loại công trình trên sông

đối lưu trong sông

- Module Mike 11 - WQ: Giải quyết các vấn đề về chất lượng nước khác nhau như DO, BOD, chu trình N, P, phú dưỡng, kim loại nặng, vi khuẩn coliform, nhiễm mặn, chất diệp lục…

vận chuyển bùn cát có và không có cố kết

Mô hình Mike 11 với các module HD (thủy động lực), AD (tải khuyếch tán),

WQ (chất lượng nước), EU (phú dưỡng), ST (truyền tải bùn cát) có khả năng ứng dụng rộng rãi, giải quyết được hầu hết các bài toán một chiều (1D) trong sông

+ Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ

+ Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước bề mặt

+ Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

+ Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông

+ Biên trên là quá trình lưu lượng thực đo của các trạm (Q ~ t)

+ Biên dưới là quá trình mực nước thực đo của các trạm (H ~ t)

+ Biên kiểm tra là quá trình lưu lượng hoặc mực nước thực đo của các trạm trong hệ thống

+ Thành phần hạt bùn cát, kết cấu thành phần hạt (dính hay khôntg dính)

+ Quá trình lưu lượng, mực nước tại vị trí cần tính toán

+ Hình dạng lòng dẫn

2.2.3.2 Giới thiệu mô hình MIKE 21

Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô hình MIKE 21 bao gồm 1 phương trình liên tục và 2 phương trình chuyển động:

Phương trình liên tục :

t

d y

q x

∂

∂+

∂

∂ξ

Phương trình chuyển động :

0)(

)()(

1

2 2

2 2 2

=

∂

∂+

∂

∂

−

++

∂

∂+

x

q xy

xx w

p x

h fVV

h y

h x h

C

q p gp x

gh h

pq y h

p x t

p

ρ

ττ

ρξ

0)(

)()(

1

2 2

2 2 2

=

∂

∂+

∂

∂

−

++

∂

∂+

∂

∂

a w

y

q xy

yy w

p xy

h fVV

h x

h y h

C

q p gp y

gh h

pq x h

p y t

p

ρ

ττ

ρξ

Trong đó:

t: Thời gian, x,y: Tọa độ trong hệ tọa độ Đê-các-tơ,

) , , (x y t

ξ : Mực nước (m),

) , , (x y t

h : Độ sâu dòng chảy (m),

) , , (x y t

d : Cao độ đáy (m),

) , , (x y t

p ,q(x,y,t): Lưu lượng đơn vị theo phương x,y, )

, (x y

C : Hệ số Chery (mP

0,5 P

/s), g: Gia tốc trọng trường (mP

2 P

/s),

f (V): Hệ số sức cản của gió,

),,(,

V : Vận tốc của gió theo phương x, y,

) , (x y

Ω : Hệ số Coriolit,

),,

p a : Áp suất khí quyển (kg/m/sP

2 P

),

w

ρ : Khối lượng riêng của nước,

yy xy

τ , , : Thành phần ma sát bên

Để giải hệ phương trình trên người ta đã sử dụng phương pháp ADI (Alternating Direction Implicit) để sai phân hoá theo lưới không gian - thời gian Hệ phương trình theo từng phương và tại mỗi điểm trong lưới được giải theo phương pháp Double Sweep (DS)

2.2.3.3 Giới thiệu mô hình MIKE FLOOD

Mặc dầu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu điểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy một chiều trong mạng lưới sông phức tạp (MIKE 11) và

có thể mô phỏng bức tranh hai chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt đồng ruộng (MIKE 21), tuy nhiên nếu xét riêng rẽ chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt Đối với MIKE 11, sẽ rất khó khăn để mô phỏng dòng chảy tràn nếu không biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, còn trong MIKE 21, nếu muốn vừa tính toán dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lòng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân

Để kết hợp các ưu điểm của cả mô hình một và hai chiều đồng thời khắc phục được các nhược điểm của chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối 2 mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong quá trình tính toán, tăng bước lưới của mô hình (nghĩa

là giảm thời gian tính toán) nhưng vẫn mô phỏng được cả dòng chảy trong lòng dẫn

và trên mặt ruộng hoặc ô chứa

Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau đây giữa mô hình 1 và 2 chiều:

- Kết nối tiêu chuẩn: Trong kết nối này, thì một hoặc nhiều ô lưới của MIKE

21 sẽ được liên kết với một đầu của phân đoạn sông trong MIKE 11 Loại kết nối

này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của MIKE21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn trong MIKE 11, hoặc nối các công trình trong mô hình MIKE 21

- Kết nối bên: Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 có thể liên kết vào hai bên của một đoạn sông, một mặt cắt trong đoạn sông hoặc toàn

bộ một nhánh sông trong MIKE 11 Dòng chảy chảy qua kết nối bên được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình của các công trình hoặc các bảng quan hệ Q-H Loại kết nối này đặc biệt hữu ích trong việc tính toán dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối sẽ được tính bằng công thức đập tràn đỉnh rộng

- Kết nối công trình (ẩn) Kết nối công trình là nét mới đầu tiên trong một loạt các cải tiến dự định trong MIKE FLOOD Kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ một công trình trong MIKE 11 và đưa chúng trực tiếp vào trong phương trình động lượng của MIKE 21 Quá trình này là ẩn hoàn toàn và vì thế không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21

- Kết nối khô (zero flow link): Một ô lưới MIKE 21 được gán là kết nối khô theo chiều x sẽ không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó Tương tự, một kết nối khô theo chiều y sẽ không có dòng chảy chảy qua phía trên của nó Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên Để chắc chắn rằng dòng chảy tràn trong MIKE 21 không cắt ngang từ bờ này sang bờ kia của sông mà không liên kết với MIKE 11, các kết nối khô này được đưa vào để đóng các dòng trong MIKE 21 Một cách khác để sử dụng kết nối khô là gán cho các ô lưới là đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải của lưới tính có thể chưa mô tả được Kết nối khô cũng được sử dụng để mô tả các dải phân cách hẹp trong động ruộng ví dụ như

đê bối, đường, và khi đó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới được định nghĩa là đất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khô

Sử dụng các kết nối trên đây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình một chiều và hai chiều với nhau Khi chạy mô hình, để coupling chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu coupling sau đây tùy thuộc vào mục đích sử dụng mô hình:

- Coupling động lực: các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy động lực (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21)

- Coupling truyền tải chất: các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan đến các quá trình vận tải và khuyếch tán (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21)

- Coupling cả động lực và truyền tải chất

2.3 Kết luận chương 2

Lựa chọn phương pháp tính toán bài toán vỡ đập là một bước đóng vai trò hết sức quan trọng, nó có ảnh hưởng rất nhiều đến các bước tính toán tiếp theo Ở đây, tác giả đã lựa chọn chọn bộ công cụ mô hình họ MIKE để giải quyết bài toán

vỡ đập, bao gồm:

+ MIKE 11 để tính toán quá trình lan truyền lũ trong sông dạng 1 chiều + MIKE 21 để mô phỏng chi tiết hơn (2 chiều theo phương ngang) các đoạn sông cần quan tâm nghiên cứu và mô phỏng phần bãi lũ, ô trũng

+ MIKE FLOOD: là mô hình được sử dụng để kết nối mô hình thuỷ lực 1 chiều và mô hình thuỷ lực 2 chiều

CHƯƠNG 3 VẬN DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN VỠ ĐẬP VÀ XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN ỨNG PHÓ CHO KHU

VỰC HẠ DU HỒ ĐỒNG NGHỆ KHI XẢY RA VỠ ĐẬP

3.1 Giới thiệu về công trình

Hồ chứa nước Đồng Nghệ được xây dựng từ năm 1991 đến năm 1995 thì đưa vào khai thác sử dụng Hồ được xây dựng trên sông Đồng Nghệ nhánh cấp I nằm bên phải của sông Luông Đông và là nhánh cấp II của sông Túy Loan Hồ có diện tích lưu vực FR lv R= 28,5kmP

2 P

, dung tích 17,17 triệu mP

3 P

, làm nhiệm vụ cấp nước tưới cho 1500 ha đất canh tác thuộc các xã Hòa Khương, Hòa Phong, Hòa Phú, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng

3.1.1.Vị trí công trình

Hình 3.1 Vị trí công trình hồ chứa nước Đồng Nghệ Công trình đầu mối hồ chứa nước Đồng Nghệ thuộc địa phận xã Hòa Khương, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng có tọa đô địa lý nằm trong khoảng (15o59’00”÷ 16o03’00”) vĩ độ Bắc và (108o

02’00”÷ 108o06’00”) kinh độ Đông

Hồ Đồng Nghệ

Vị trí công trình Hồ Đồng Nghệ

Khu tưới thuộc địa phận các xã Hòa Khương, Hòa Phong, Hòa Phú thuộc huyện Hòa Vang

3.1.2 Các thông số kỹ thuật chính của hồ chứa nước Đồng Nghệ

2B

* Hồ chứa :

Bảng 3.1 Các thông số chính của hồ Đồng Nghệ

1 Diện tích lưu vực (đến vị trí tuyến đập) F KmP

2

28,5

2 Lượng chênh lệch bốc hơi mặt nước TBNN ∆ΖR 0 mm 517,64

3 Lưu lượng trung bình nhiều năm QR 0 mP

3 P

/s 1,31

4 Lượng dòng chảy trung bình nhiều năm WR 0 10P

6 P

mP 3

41,47

5 Lưu lượng dòng chảy năm ứng với P=85% Q85% mP

3 P

/s 0,855

6 Tổng lượng dòng chảy năm ứng với P=85% W85% 10P

6 P

mP

3 27,03

3 P

/s 868,9

8 Lưu lượng lũ kiểm tra P =0,2% Q0,2% mP

3 P

/s 1312,1

3 P

mP 3

17,17

6 P

mP 3

1,3

6 P

mP 3

/s

- Lưu lượng xả kiểm tra (P=0,2%): 863,4 mP

3 P

- Chiều rộng đầu máng bên: 16,5 m

- Chiều rộng cuối máng bên 30 m

3.2.Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu là toàn bộ hạ lưu hồ Đồng Nghệ thuộc lưu vực sông Túy Loan Tuy nhiên, do là một chi lưu của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn nên chế độ thủy văn - thủy lực có sự ảnh hưởng và chi phối rất lớn của lưu vực sông lớn này

Do đó, trong tính toán và nghiên cứu, cần thiết phải tiến hành mô phỏng cho toàn bộ

hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn Tất nhiên, khu vực nghiên cứu chi tiết và trọng tâm là hạ lưu sông Túy Loan thuộc thành phố Đà Nẵng

3.3 Tài liệu cơ bản khu vực nghiên cứu

23B

3.3.1 Mạng lưới sông ngòi

Sông Vu Gia - Thu Bồn bắt nguồn từ vùng núi cao thuộc sườn phía Đông của dãy Trường Sơn, độ dài của sông ngắn và độ dốc lòng sông lớn Ở vùng thượng lưu lòng sông hẹp , bờ sông dốc đứng , có nhiều ghềnh thác , độ uốn khúc từ 1 ÷ 2 Phần giáp ranh giữa trung lưu và hạ lưu , lòng sông tương đối rộng và nông , có nhiều cồn bãi giữa dòng Về phía hạ lưu lòng sông thường thay đổi , bờ sông thấp nên vào mùa

lũ hàng năm thường gây ngập lụt Sông Vu Gia - Thu Bồn gồm 2 nhánh chính :

* Sông Cái (Đắk Mi): bắt nguồn từ đỉnh núi cao trên 2.000 m (Ngọc Linh ) thuộc tỉnh Kon Tum Sông có chiều dài 129 km với diện tích lưu vực 1.900 kmP

2 P

, có hướng chảy Bắc Nam, nhập vào sông Bung tại Trưng Hiệp

* Sông Bung : Bắt nguồn từ dãy núi c ao ở phía Tây Bắc , chảy theo hướng Tây Đông , với chiều dài 131 km với diện tích lưu vực 2.530 kmP

2 P

Sông Bung có nhiều nhánh , trong đó đáng kể là sông A Vương , có diện tích FR lv R = 898 kmP

2 P

, dài 84

km

* Sông Con: bắt nguồn từ vùng nú i cao của huyện Đông Giang , diện tích lưu vực 627 km2, chiều dài 47 km, với hướng chảy chính Bắc Nam