Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện ở việt nam (tt)

Mục tiêu nghiên cứu Tổng quan về dẫn dòng khi xây dựng công trình đầu mối thủy lợi thủy điện; Bổ sung và hoàn thiện phương pháp lựa chọn tần suất và lưu lượng thiết kế dẫn dòng; Phân tíc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

MAI LÂM TUẤN

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN QUY MÔ CÔNG TRÌNH

DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

THỦY LỢI THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số chuyên ngành: 9 58 02 02

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Quang Cường Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Văn Hùng

Phản biện 1: GS.TS Hồ Sĩ Minh - Hội Thủy lợi Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Vũ Hữu Hải - Trường Đại học Xây Dựng Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thu Hiền - Trường Đại học Thủy Lợi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Room 5 - K1 Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 08 giờ 30 ngày 03 tháng 05 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Khi thiết kế dẫn dòng thi công, việc chọn tần suất thiết kế dẫn dòng, đặc biệt là

khi công trình chính tham gia dẫn dòng còn nhiều vấn đề cần bàn luận

Dẫn dòng qua đập đang xây dựng giúp tiết kiệm chi phí cho công trình dẫn dòng

vào mùa lũ, lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng như thế nào, gia cố đập

đang xây dựng như thế nào cần phải có cơ sở tính toán các phương án khác nhau,

từ đó lựa chọn ra phương án có hiệu quả nhất về mặt kinh tế và kỹ thuật

Đề tài “Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây

dựng công trình thủy lợi thủy điện ở Việt Nam” là rất cần thiết, có ý nghĩa lớn

đối với việc thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, thủy điện

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng quan về dẫn dòng khi xây dựng công trình đầu mối thủy lợi thủy điện; Bổ

sung và hoàn thiện phương pháp lựa chọn tần suất và lưu lượng thiết kế dẫn

dòng; Phân tích các yếu tố công trình phục vụ lựa chọn hợp lý quy mô công trình

dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng; Hoàn thiện phương pháp tính

toán và thuật toán phục vụ thiết kế và lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là công tác dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình

đầu mối thủy lợi, thủy điện, trọng tâm là xác định qui mô công trình dẫn dòng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Công tác dẫn dòng thi công có ứng dụng nhiều công trình cùng đồng thời tham

gia dẫn dòng; Chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng, tính toán thủy lực dẫn dòng thi

công và lựa chọn quy mô các công trình dẫn dòng Không đi sâu nghiên cứu ảnh

hưởng của thấm rối, mạch động và tiêu năng hạ lưu

4 Nội dung nghiên cứu Tổng quan về công tác dẫn dòng thi công các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện; Cơ sở khoa học và thực tiễn về lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công; Xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng; Lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng qua đập đá đổ đang đang xây dựng

5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp dẫn dòng thi công; Nghiên cứu kế thừa

và thực tiễn về chọn lưu lượng lớn nhất thiết kế dẫn dòng thi công; Thu thập tài liệu

và phân tích tổng hợp; Ứng dụng tin học ứng dụng trong tính toán và phân tích

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Tổng hợp phương pháp phân tích và tính toán thủy lực cho phương án dẫn dòng; Đóng góp vào cơ sở khoa học lựa chọn hợp lý quy mô của công trình dẫn dòng Lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công phù hợp với điều kiện làm việc của công trình; Đề xuất trình tự tính toán và lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng thi công, xác định quy mô công trình dẫn dòng hợp lý về kinh tế và kỹ thuật

7 Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án bao gồm:

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện

Chương 2: Cơ sở khoa học lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công và tính toán thủy lực dẫn dòng

Chương 3: Nghiên cứu phân tích lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng thi công Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho một số công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY

DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN

1.1 Tầm quan trọng của công tác dẫn dòng thi công

Lựa chọn phương án dẫn dòng thi công ảnh hưởng đến tiến độ thi công, thời gian

ngăn sông, đắp đập vượt lũ, chi phí cho công tác dẫn dòng Lựa chọn phương án

dẫn dòng thi công hợp lý sẽ giúp tiết kiệm chi phí, giảm thời gian thi công mà

vẫn đảm bảo chất lượng công trình

Khi thiết kế dẫn dòng thi công, cần phải phân tích các điều kiện cụ thể và đề xuất

một số phương án khả thi nhất, thông qua tính toán kinh tế kỹ thuật của từng

phương án và so sánh lựa chọn phương án tối ưu nhất

1.2 Lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng và tính toán thủy lực dẫn dòng

1.2.1 Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công

Trong các tiêu chuẩn, quy chuẩn của Việt Nam, việc chọn tần suất thiết kế dẫn

dòng chỉ phụ thuộc vào cấp công trình, chưa đề cập cụ thể đến chiều cao cột

nước, dung tích lòng hồ khi đang dẫn dòng, việc kiến nghị nâng hạ cấp tần suất

là chưa có cơ sở khoa học rõ ràng Điều này gây ra khó khăn cho người thiết kế

và phê duyệt thiết kế, chưa xác định đúng tần suất thiết kế dẫn dòng

Trong thực tế dẫn dòng, trường hợp có nhiều công trình cùng tham gia dẫn dòng

đồng thời thì quy mô của từng công trình như thế nào để đảm bảo điều kiện kinh

tế kỹ thuật là bài toán thường gặp đối với những công trình có lưu lượng dẫn

dòng lớn và thi công trong nhiều năm Việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng

ở Việt Nam cần điều chỉnh bổ sung cho rõ ràng hơn, phù hợp với thực tế thi công

1.2.2 Thời đoạn dẫn dòng thi công

Việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng và thời đoạn dẫn dòng quyết định đến

lưu lượng thiết kế dẫn dòng, ảnh hưởng trực tiếp đến quy mô công trình dẫn dòng

thi công

Luận án phân tích các đặc điểm dòng chảy liên quan đến việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công, đưa ra biện pháp xử lý các trường hợp đặc biệt liên quan đến dòng chảy các vùng miền ở Việt Nam

1.2.3 Tính toán thủy lực dẫn dòng Các phần mềm tính toán thủy lực, các tài liệu về tính toán thủy lực chỉ tính toán đối với công trình dẫn dòng độc lập, chưa đề cập cụ thể đến việc tính toán thủy lực dẫn dòng khi sử dụng đồng thời hai hoặc nhiều công trình dẫn dòng Luận án nghiên cứu lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng đồng thời qua đập đang xây dựng và cống, xây dựng biểu đồ diễn biến lưu tốc dọc theo chiều dài dòng chảy qua công trình đập đang xây dựng, làm cơ sở xác định quy mô công trình dẫn dòng và biện pháp gia cố khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng 1.3 Dẫn dòng thi công qua cống, đường hầm

1.3.1 Dẫn dòng thi công qua cống Nên lợi dụng cống lâu dài để tháo nước thi công, khi đó công tác thi công công trình dẫn dòng sẽ đơn giản đi nhiều, tránh được những khó khăn, phức tạp trong công tác hoành triệt cống, đồng thời giảm bớt được các phí tổn về dẫn dòng Cống dẫn dòng được sử dụng tháo lũ lớn trong điều kiện cột nước cao như các công trình Sơn La (2.568 m3/s), Lai Châu (1.837 m3/s), Bắc Hà (1.134 m3/s) 1.3.2 Dẫn dòng thi công qua đường hầm

Đường hầm dẫn dòng có thể sử dụng để dẫn dòng trong cả mùa lũ và mùa kiệt như công trình Hòa Bình, Cửa Đạt ở Việt Nam Trung Quốc có công trình trạm thủy điện Long Dương Hiệp, Ô Giang Độ, Đông Giang, ở Ấn Độ có công trình Si-li-sa-lam, ở Mỹ có công trình Devosik, Paoerth

Để giảm chi phí, thường lợi dụng đường hầm lâu dài để kết hợp dẫn dòng như Hòa Bình (Việt Nam), Mao Gia Thôn (Trung Quốc)…

1.4 Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng

1.4.1 Dẫn dòng thi công qua đập đá đổ đang xây dựng

Dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng là một hình thức giúp tiết kiệm chi phí

cho công tác dẫn dòng vào mùa lũ nhờ khả năng tháo với lưu lượng lớn Có thể

áp dụng hình thức dẫn dòng này đối với các công trình đá đổ, đá đắp, lưu ý chọn

cao trình tràn nước và chiều rộng tràn nước cho phù hợp với điều kiện của từng

công trình, từ đó có phương án gia cố bề mặt tràn nước, đảm bảo công tác dẫn

dòng được an toàn, hiệu quả

1.4.2 Dẫn dòng thi công qua đập bê tông đang xây dựng

Dẫn dòng thi công qua đập bê tông đang xây dựng được áp dụng nhiều đối với đập

bê tông trọng lực do đặc điểm của bê tông là khả năng chịu mài mòn cao trước lưu

tốc lớn của dòng nước Dẫn dòng qua đập bê tông đang xây dựng thường kết hợp

với cống dẫn dòng đặt trong thân đập

1.4.3 Dẫn dòng thi công qua đập đất đang xây dựng

Khi cần dẫn dòng qua đập đất đang xây dựng với lưu lượng lớn, có thể áp dụng đối

với phần chân khay của công trình Mùa kiệt năm trước đào móng và đắp chân

khay, xử lý chống thấm cho nền công trình Kết thúc mùa kiệt tiến hành lấp phủ

phần chân khay đã thi công xong và gia cố bề mặt để dẫn dòng cho mùa lũ Sau

khi kết thúc mùa lũ, bóc bỏ bùn đất và lớp phủ bề mặt, tiếp tục thi công đắp đập

1.4.4 Dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng và cống, đường

hầm

Khi có nhiều công trình cùng tham gia dẫn dòng thì xác định lưu lượng thiết kế

cho từng công trình là bao nhiêu m3/s, đây là vấn đề cần nhiều công sức tính toán

đối với mỗi phương án dẫn dòng khác nhau Bên cạnh đó còn phải xác định lưu tốc

dòng chảy tại các vị trí khác nhau nhằm đề ra biện pháp gia cố phù hợp Cần có

nghiên cứu thêm về diễn biến lưu tốc trên bề mặt công trình dẫn dòng khi dẫn

dòng kết hợp qua đập đang xây dựng và cống, đường hầm

Bên cạnh các thông số về mặt thủy lực công trình dẫn dòng, gia cố bề mặt dẫn dòng

đối với sử dụng đập đang xây dựng để dẫn dòng, cần chú ý đến việc cân đối khối

lượng và cường độ thi công giữa giai đoạn trước và sau khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng

1.5 Kết luận chương 1 Dẫn dòng thi công là công tác quan trọng, xuyên suốt quá trình thi công, có tính chất quyết định sự thành bại khi xây dựng công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện

Để lựa chọn được phương án dẫn dòng cũng như quy mô của công trình dẫn dòng phải tuân thủ theo các nguyên tắc cơ bản, phù hợp với điều kiện tự nhiên, dân sinh, kinh tế và đáp ứng các nhiệm vụ của dự án

Những công trình lớn, thời gian thi công dài, thường sử dụng nhiều dạng công trình dẫn dòng và kết hợp nhiều công trình tháo với nhau Trên thế giới và ở Việt Nam đã có nhiều thành công cũng như bài học kinh nghiệm về vấn đề này Các nghiên cứu của các tác giả chủ yếu tập trung vào thông số tối ưu về thủy lực công trình và các giải pháp tiêu năng, gia cố đối với công trình tháo nước thi công nhưng chưa có đề xuất nào một cách bài bản để giải quyết bài toán thủy lực dẫn dòng thi công tổng quát

Dẫn dòng thi công qua cống, đường hầm giúp thi công phần đập lòng sông thuận lợi Cống trong thân đập bê tông và đường hầm có thể sử dụng dẫn dòng đồng thời với công trình tháo lũ khác để dẫn được lưu lượng lớn về mùa lũ

Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng là giải pháp giúp tháo được lưu lượng

lũ lớn, việc xác định chế độ thủy lực và biện pháp gia cố công trình đập đang xây dựng khi cho nước tràn qua cần nghiên cứu cụ thể hơn, phục vụ công tác lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng

Các mô hình tính toán thủy động lực sông, hệ thống kênh tưới không phù hợp với tính toán thủy lực dẫn dòng, các chương trình tính toán thương mại chưa giải quyết triệt để việc tính toán thủy lực dẫn dòng và điều tiết lũ Yêu cầu đặt ra cần phải lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng để phục vụ lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng nhanh chóng, hiệu quả

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ

DẪN DÒNG THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC DẪN DÒNG

2.1 Phân tích lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công

2.1.1 Cơ sở lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công

Việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng, thời đoạn dẫn dòng và công trình dẫn

dòng có quan hệ mật thiết qua lại với nhau Ba nhân tố này là cơ sở quyết định

chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng, thời gian làm việc của mỗi công trình dẫn dòng

và sơ đồ tính toán thủy lực dẫn dòng cũng như việc xác định lưu lượng tháo qua

mỗi công trình

Thực tế cho thấy phân tích kinh tế gặp nhiều khó khăn, ứng với từng công trình sẽ

khác nhau, vì vậy lấy thời gian làm việc của công trình dẫn dòng, chiều cao công

trình chắn nước, dung tích lòng hồ lớn nhất tương ứng với từng giai đoạn dẫn dòng

làm chỉ tiêu cơ bản của lựa chọn tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng sẽ tiện cho

việc sử dụng khi thiết kế dẫn dòng và thuận tiện cho phân tích rủi ro của phương

án dẫn dòng

2.1.2 Cơ sở khoa học để nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng

Đối với công trình dẫn dòng là loại công trình chỉ sử dụng trong quá trình thi

công, vấn đề tiết kiệm chi phí luôn mâu thuẫn với khả năng xảy ra rủi ro Chọn

tần suất thiết kế chính là chấp nhận rủi ro khi lưu lượng vượt thiết kế

Phương pháp thiết kế chọn tần suất dẫn đến cho chúng ta hàng loạt các bài toán

xác định thiệt hại do lũ vượt thiết kế: Vỡ đập, tràn qua đê quai và hố móng, hư

hỏng công trình chính và công trình tạm trong quá trình thi công, ảnh hưởng hạ

du nếu có sự cố

Việc nâng hạ tần suất cần phải có luận chứng kinh tế kỹ thuật để quyết định Như

vậy sẽ không bao giờ có mức tăng giảm cụ thể mà phải dựa vào phân tích cụ thể

cho từng công trình và cuối cùng là quyết định của chủ đầu tư Chấp nhận rủi ro

đến mức độ nào và vấn đề khó khăn nhất khi ra quyết định

Khi sử dụng công trình chính làm công trình dẫn dòng cần phải chọn tần suất thiết kế dẫn dòng như tần suất đối với công trình tạm hay như đối với công trình chính sẽ ảnh hưởng đến chi phí cho công tác dẫn dòng

Khi đề xuất phương án dẫn dòng cho một số công trình ở miền núi, lũ tập trung nhanh, cột nước tăng cao, trong điều kiện đập không thể thi công vượt lũ thì đê quai bảo vệ hố móng trong trường hợp này sẽ rất cao, có thể chấp nhận cho nước tràn qua đê quai và hố móng đang thi công vào mùa lũ

Kết quả so sánh trên cũng làm cơ sở cho việc nếu chấp nhận cho lũ tràn qua đê quai và hố móng Khi chấp nhận cho nước tràn qua hố móng thì khả năng chọn lưu lượng thiết nhỏ đi có thể giảm chi phí công trình dẫn dòng mà rủi ro thấp 2.2 Xác định thời đoạn dẫn dòng thi công

2.2.1 Nhân tố ảnh hưởng đến việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công Thời đoạn dẫn dòng là khoảng thời gian làm việc của công trình ngăn nước như

đê quai hoặc đập chính và công trình dẫn nước như kênh, cống, tràn Việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công

Thời đoạn dẫn dòng phụ thuộc điều kiện thủy văn, đặc điểm kết cấu công trình, công trình dẫn dòng, khả năng thi công vượt lũ Cần phân tích một cách toàn diện các yếu tố trên, từ đó lựa chọn thời đoạn dẫn dòng hợp lý

2.2.2 Điều kiện khí hậu và dòng chảy các vùng của Việt Nam

Ở Việt Nam, do điều kiện khí hậu thủy văn các vùng khác nhau nên thời đoạn mùa kiệt của các vùng cũng khác nhau, chia làm 5 khu vực: Trung du và miền núi phía Bắc, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Đông Nam Bộ Các yếu tố về khí hậu, thủy văn ảnh hưởng đến việc lựa chọn thời đoạn thi công theo các vùng miền của Việt Nam Đặc biệt cần có phương án chống lũ tiểu mãn vào thời điểm cuối mùa kiệt của các công trình

2.3 Cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và điều tiết lũ

2.3.1 Tính toán thủy lực qua đập đang xây dựng

Dẫn dòng thi công qua đập tràn trong thực tế rất đa dạng Về mặt thủy lực công

trình tương đương với đập tràn thực dụng hoặc đập tràn đỉnh rộng Chế độ chảy

gồm có chảy ngập và chảy không ngập

2.3.2 Tính toán thủy lực dẫn dòng qua cống

Các chế độ chảy gồm chảy hở khi H0 ≤ (1,2÷1,4)Hc; chảy bán áp hoặc chảy có

áp khi H0 > (1,2÷1,4)Hc, tùy thuộc vào đường mặt nước Trị số (1,2÷1,4)Hc được

chọn như sau: Cửa vào rất thuận thì chọn 1,4Hc; không thuận chọn 1,2Hc

2.3.3 Tính toán thủy lực dẫn dòng đồng thời qua hai hoặc nhiều công trình

dẫn dòng

Khi tính toán, cần phải xác định các điều kiện biên của bài toán là:

- Lưu lượng tháo qua các công trình phải có điều kiện mực nước thượng lưu (Ztl)

và hạ lưu (Zhl) như nhau

- Lưu lượng xả về hạ lưu bằng tổng lưu lượng xả qua các công trình tháo nước

Để giải bài toán này phải tính đúng dần hoặc đồ giải trên cơ sở xây dựng quan hệ

lưu lượng và mực nước thượng lưu (Q ~ Ztl) của các công trình tháo nước

2.3.4 Điều tiết lũ trong dẫn dòng thi công

Khi mực nước ở dưới thấp, bụng hồ rất nhỏ hoặc chưa hình thành thì trong tính

toán thiết kế dẫn dòng không xem xét đến điều tiết lũ Nhưng khi công trình chắn

nước lên cao và lòng hồ đủ lớn sẽ có tác dụng điều tiết lũ Luận án sử dụng

phương pháp lặp giải tích để tính toán

2.4 Tính toán lưu tốc lớn nhất khi dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang

xây dựng

Khi dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng, các thông số ảnh hưởng lớn đến lưu

tốc lớn nhất Vmax là lưu lượng đơn vị chảy qua đập đang xây dựng (q), chiều dài

dốc nước (L) tính từ sau ngưỡng tràn, hệ số mái dốc của dốc nước (m), chênh

lệch độ cao cuối dốc nước so với mực nước hạ lưu (H2) Sơ đồ tính toán như Hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán thủy lực qua đập đá đổ đang xây dựng Lưu tốc Vmax được xác định theo phương pháp vẽ đường mặt nước bằng phương pháp sai phân theo phương trình (2-16)

∆E

Từ lưu tốc và cột nước tại đầu dốc nước, vẽ đường mặt nước và tìm giá trị lưu tốc lớn nhất Vmax ở mái hạ lưu

2.5 Kết luận chương 2 Chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công liên quan mật thiết với chọn tần suất thiết kế, chọn phương án dẫn dòng trong đó có chọn thời đoạn dẫn dòng thiết kế Ràng buộc với chúng là qui mô, kết cấu công trình chính và điều kiện tự nhiên nơi xây dựng Cùng với các công tác trên là tính toán thủy lực nhằm xác định qui

mô công trình dẫn dòng

Qui mô công trình dẫn dòng được xác định phụ thuộc vào tổng hợp nhiều yếu tố: qui mô công trình chính, điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế - xã hội, năng lực thi công, thời hạn xây dựng, phương án dẫn dòng Phải thông qua tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật phù hợp với điều kiện cụ thể của từng phương án để lựa chọn qui mô công trình dẫn dòng hợp lý

Một trong những nội dung khó trong tính toán thiết kế dẫn dòng thi công là các bài toán thủy lực dẫn dòng Nội dung này cần được cụ thể và chi tiết các bước nhằm giúp cho người thiết kế ít mắc sai lầm và tính toán nhanh đối với những công trình có khối lượng tính đồ sộ Trong đó, trọng tâm là các thông số thủy lực công trình bao gồm như: Lưu lượng, mực nước, lưu tốc, các thông số hình học đối với công trình tham gia dẫn dòng thi công

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỢP LÝ QUY

MÔ CÔNG TRÌNH DẪN DÒNG THI CÔNG

3.1 Nghiên cứu lựa chọn tần suất lưu lượng và thời đoạn thiết kế dẫn dòng

3.1.1 Chọn tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng theo tiêu chuẩn các quốc gia

QCVN 04-05:2012 có một số nhược điểm sau: Việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn

dòng không đề cập đến việc công trình chính có tham gia chắn nước hay không,

không nêu rõ ảnh hưởng của dung tích hồ tương ứng với chiều cao đập đang xây

dựng; Việc nâng hạ cập tần suất không quy định cụ thể như thế nào gây khó khăn

cho người thiết kế và người phê duyệt thiết kế; Khi sử dụng thân đập đá đắp đang

xây dựng làm tràn tạm phải dùng tần suất thiết kế công trình là quá an toàn, chưa

phản ánh đúng tình trạng làm việc của công trình dẫn dòng khi dẫn dòng qua đập

đá đắp đang xây dựng ở cao trình thấp, dung tích lòng hồ không lớn

3.1.2 Lựa chọn thời đoạn dẫn dòng trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Đối với công trình có thời gian thi công lớn hơn 1 năm, cần chia làm thời đoạn

mùa kiệt và mùa lũ Khi chọn thời đoạn, chú ý chọn thời đoạn mùa kiệt sao cho

phù hợp, thời gian còn lại trong năm sẽ là mùa lũ

Giai đoạn gần cuối mùa kiệt một số khu vực có lũ tiểu mãn, có 2 phương án đưa

ra để xử lý trường hợp này:

- Phương án 1: Lựa chọn lưu lượng lớn nhất của tháng có lũ tiểu mãn ứng với tần

suất thiết kế làm lưu lượng thiết kế dẫn dòng cho mùa kiệt

- Phương án 2: Chia mùa kiệt làm 2 thời đoạn trước và sau lũ tiểu mãn Giai đoạn 1:

Từ đầu mùa kiệt đến trước lũ tiểu mãn chọn lưu lượng thiết kế là lớn nhất trong các

tháng đó, sử dụng để thiết kế công trình dẫn dòng Giai đoạn 2: Từ tháng có lũ tiểu

mãn đến cuối mùa kiệt chọn lưu lượng lớn nhất của tháng có lũ tiểu mãn làm lưu

lượng thiết kế dẫn dòng Trong giai đoạn 2 sử dụng công trình dẫn dòng khác giai

đoạn 1, có thể tháo được lưu lượng lớn hơn Khi áp dụng phương án này, có thể

dùng đập chính có mặt cắt kinh tế để giảm cường độ thi công của giai đoạn thi

Hình 3.2 Đắp đập chính theo mặt cắt kinh tế 3.2 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và điều tiết lũ Trong quá trình lập chương trình tính toán thủy lực, ứng với các chế độ chảy khác nhau của công trình tháo, công thức tính thay đổi theo điều kiện biên Tuy nhiên,

về bản chất thủy lực thì dòng chày không thay đổi chế độ đột ngột từ chảy hở sang chảy có áp hoặc ngược lại Trong khi đó, các công thức bán thực nghiệm áp dụng tại các điểm chuyển tiếp cột nước sẽ cho hai kết quả khác nhau về giá trị lưu lượng Vì vậy cần xử lý về mặt thuật toán tại những vị trí này nhằm thuận lợi cho tính toán nhưng không gây sai khác lớn đến kết quả

Hình 3.3 Tương quan Q~H khi chuyển tiếp chảy ngập sang chảy

không ngập

Hình 3.4 Tương quan Q~H0 khi chuyển tiếp chảy không áp sang

chảy có áp Luận án lập sơ đồ khối cho tính toán thủy lực qua cống, tính toán thủy lực kết hợp đập đang xây dựng và cống, tính toán điều tiết lũ Kết quả tính toán đưa ra được lưu lượng chảy qua cống, đập đang xây dựng, lưu lượng tích lại trong lòng

hồ Từ lưu lượng chảy qua đập đang xây dựng, tính toán xây dựng đường mặt nước, chế độ thủy lực trên dốc nước ứng với các phương án khác nhau Chương trình tính toán thủy lực đã được kiểm định đối chứng với kết quả thí nghiệm mô

3.3 Lựa chọn các thông số khi dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng

3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công trình đến lưu tốc lớn nhất

3.3.1.1 Ảnh hưởng của các thông số đến lưu tốc lớn nhất

Hình 3.8 Đường mặt nước và diễn

biến lưu tốc

Hình 3.12 Quan hệ Q ~ Vmax trường hợp L = 150m, H2 = 0m

Hình 3.13 Quan hệ Q ~ Vmax trường

hợp m = 8, H2 = 0m

Hình 3.14 Quan hệ Q ~ Vmax trường hợp m = 8, L = 150m Khi thay đổi hệ số mái của dốc nước (Hình 3.12), lưu tốc lớn nhất tăng lên và

tăng nhanh khi m = 4 Với xu hướng tăng mạnh như vậy, đối với dốc nước có

chiều dài lớn cần hạn chế dùng hệ số mái của dốc nước nhỏ để hạn chế lưu tốc

lớn nhất xuất hiện trên dốc nước

Khi lưu lượng đơn vị nhỏ, việc thay đổi chiều dài dốc nước ít ảnh hưởng đến lưu

tốc lớn nhất (Hình 3.13) Khi lưu lượng đơn vị lớn, chiều dài dốc nước ảnh hưởng

nhiều hơn đến lưu tốc lớn nhất Việc kéo dài dốc nước có thể áp dụng với lưu

lượng đơn vị q < 25 m3/s.m, với lưu lượng đơn vị lớn hơn nên mở rộng chiều

rộng tràn nước để giảm lưu tốc lớn nhất ở trên dốc nước

Khi chênh lệch độ cao cuối dốc nước so với mực nước hạ lưu tăng lên (Hình 3.14) thì lưu tốc lớn nhất tăng lên với mức độ tương tự nhau ở cả cấp lưu lượng đơn vị nhỏ và cấp lưu lượng đơn vị lớn Cần giảm nhỏ chênh lệch độ cao cuối dốc nước so với mực nước hạ lưu để hạn chế độ tăng thêm của lưu tốc lớn nhất 3.3.1.2 Nhận xét chung

Với cùng một chiều dài dốc nước, lưu lượng đơn vị, lưu tốc lớn nhất Vmax phụ thuộc vào hệ số mái dốc của dốc nước Hệ số mái dốc của dốc nước càng nhỏ thì lưu tốc Vmax càng lớn Hình 3.15 (a), (b) Khi m < 6, H2 = 0m, đường quan hệ lưu tốc lớn nhất với lưu lượng đơn vị nằm tách hẳn so với các trường hợp khác Vì vậy cần hạn chế sử dụng hệ số mái dốc của dốc nước m < 6

a) L = 50m; H2 = 0m b) L = 200m; H2 = 0m

c) L = 50m; H2 = 15m d) L = 200m; H2 = 15m Hình 3.15 Ảnh hưởng của thông số m, H2 đến lưu tốc lớn nhất

Xem xét mức độ ảnh hưởng của chiều cao H2 trên Hình 3.15 nhận thấy khi chiều

dài dốc nước nhỏ (L = 50m), chiều cao H2 ảnh hưởng rõ rệt đến lưu tốc lớn nhất

(trường hợp (a) Vmax = 17,5 m/s, trường hợp (c) Vmax = 23,1 m/s) Khi chiều dài

dốc nước lớn (L = 200m) thì chiều cao H2 ảnh hưởng ít hơn đối với lưu tốc lớn

nhất (trường hợp (b) Vmax = 22,4 m/s, trường hợp (d) Vmax = 25,9 m/s)

a) m = 16; H2 = 0m b) m = 16; H2 = 0m

c) m = 4; H2 = 15m d) m = 4; H2 = 15m

Hình 3.16 Ảnh hưởng của thông số L, H2 đến lưu tốc lớn nhất

Trong hình Hình 3.16, thông số chiều dài dốc nước ảnh hưởng tới lưu tốc lớn

nhất khi H2 = 0 (trường hợp (a) Vmax ứng với q = 40 m3/s.m là 11,7 m/s; 14,3 m/s;

trường hợp (b) Vmax ứng với q = 40 m3/s.m là 17,5 m/s; 22,4 m/s) Tuy nhiên khi

H2 = 15m, chiều dài này ảnh hưởng rất ít đến sự thay đổi của lưu tốc lớn nhất

(trường hợp (c) V ứng với q = 40 m3/s.m là 20,4 m/s; 21,5 m/s; trường hợp (d)

Từ Hình 3.15 và Hình 3.16 nhận thấy chiều cao H2 có ảnh hưởng mạnh đến lưu tốc lớn nhất trên dốc nước, vì vậy khi lựa chọn thông số công trình đập đang xây dựng để dẫn dòng cần hạn chế tăng cao H2, thậm chí để H2 < 0 (cửa ra của dốc nước thấp hơn mực nước hạ lưu) như Hình 3.17 để thuận lợi cho nối tiếp và tiêu năng ở hạ lưu đập đá đổ đang xây dựng phục vụ dẫn dòng

Hình 3.17 Lựa chọn thông số đập đá đổ đang xây dựng phục vụ dẫn dòng Qua Hình 3.15 và Hình 3.16, lựa chọn thông số lưu lượng đơn vị (q) nhỏ sẽ thuận lợi cho việc gia cố vì lưu tốc lớn nhất không cao, tuy nhiên lựa chọn q nhỏ sẽ làm tăng chiều rộng công trình đập đang xây dựng lên rất nhiều Tác giả đề xuất lựa chọn q = (20 - 35) m3/s.m để từ đó lựa chọn chiều rộng công trình đập đang xây dựng để dẫn dòng cho phù hợp

3.3.2 Gia cố bề mặt đập khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng Luận án sử dụng phương án gia cố mặt đập bằng các tấm bê tông cốt thép có chiều dày ttb Các tấm bê tông này được nối bằng khớp nối chống thấm, ngăn không cho nước thấm vào thân đập đá đổ như Hình 3.20

Hình 3.20 Gia cố bề mặt cho nước tràn qua đập đá đổ đang xây dựng

So với phương án gia cố bằng rọ đá, phương án gia cố bằng tấm bê tông cốt thép như trên tốn kém hơn, nhưng không có dòng thấm rối qua thân đập, sẽ bảo vệ được lớp đệm chuyển tiếp không bị dòng nước phá hủy, đồng thời không có thấm rối ở hạ lưu, hạn chế xói rỗng phần đá dưới các tấm bê tông, an toàn hơn cho các

3.4 Kết luận chương 3

Lựa chọn tần suất lưu lượng thiết kế công trình dẫn dòng cũng như cấp bậc các

công trình dẫn dòng đóng vai trò quyết định chi phí cũng như mức độ chấp nhận

rủi ro trong xây dựng công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện

Điều kiện dòng chảy mùa kiệt và mùa lũ ở Việt Nam khác nhau rất nhiều Cần

phải lựa chọn thời đoạn và phương án công trình dẫn dòng phù hợp với từng khu

vực khác nhau, đặc biệt phải xử lý được thời đoạn có lũ tiểu mãn, nhằm giảm chi

phí dành cho công trình dẫn dòng

Xử lý thuật toán chuyển tiếp là cần thiết để đảm bảo tính liên tục của đường quan

hệ lưu lượng và mực nước, tránh được các lỗi xảy ra trong quá trình tính toán

thủy lực của chương trình tính Chương trình tính toán thủy lực đã được tính toán

kiểm nghiệm với nhiều trường hợp khác nhau của lưu lượng và thông số công

trình thủy điện Lai Châu Kết quả tính toán phù hợp với kết quả tính toán của đơn

vị thiết kế và thí nghiệm mô hình

Các nhân tố chính ảnh hưởng đến việc lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng qua

đập đá đổ đang xây dựng gồm lưu lượng đơn vị, chiều dài dốc nước, hệ số mái

dốc của dốc nước, chênh lệch độ cao cuối dốc nước so với mực nước hạ lưu Đề

xuất lựa chọn lưu lượng đơn vị trong khoảng (20 - 35) m3/s.m giúp giảm nhỏ chiều

rộng đập dùng để dẫn dòng Cần hạn chế tăng cao chênh lệch độ cao cuối dốc

nước so với mực nước hạ lưu, thậm chí bố trí cửa ra của dốc nước thấp hơn mực

nước hạ lưu để thuận lợi cho nối tiếp và tiêu năng

Với kết quả nghiên cứu có được, người thiết kế có thể đưa ra nhiều phương án

quy mô công trình khác nhau để dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng, từ đó

xác định lưu tốc lớn nhất và hình thức gia cố Phân tích trên cơ sở lưu tốc lớn

nhất, chi phí cho công tác gia cố, khối lượng đắp đập giai đoạn mùa kiệt trước

mùa lũ và giai đoạn mùa kiệt năm sau để lựa chọn phương án tối ưu nhất

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM

4.1 Phân tích việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng 4.1.1 Sử dụng công trình chính để dẫn dòng thi công Bảng 4.5 Tần suất thiết kế dẫn dòng khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng

S T

T

Tên công trình Loại hình đập

Năm dẫn dòng

Cao trình đập đang xây dựng (m)

Dung tích lòng hồ (triệu

m 3 )

Tần suất LL lớn nhất TKDD

Lưu lượng (m 3 /s)

Đánh giá sự phù hợp với tiêu chuẩn

Kết quả Việt

Nam

Trung Quốc Nga

1 Tuyên Quang

Đập đá đắp Bản

Thành công

Đạt

Đập đá đắp Bản

Thất bại

3 Sơn La Đập bê tông

Thành công

Châu

Đập bê tông trọng lực RCC

2014

Công trình Cửa Đạt khi dẫn dòng với tần suất 5% đã gặp sự cố, công trình này theo tiêu chuẩn của Trung Quốc cần chọn tần suất thiết kế dẫn dòng là (1 ÷ 2)% hoặc nhỏ hơn để đảm bảo an toàn cho công trình

4.1.2 Sử dụng công trình chính tham gia dẫn dòng Bảng 4.6 Tần suất thiết kế dẫn dòng khi công trình chính tham gia dẫn dòng

S T

T

Tên công trình Loại hình đập

Năm dẫn dòng

Cao trình tràn nước (m)

Cột nước trước đập (m)

Tần suất LL lớn nhất TKDD

Lưu lượng (m 3 /s)

Đánh giá sự phù hợp với tiêu chuẩn

Kết quả Việt

Nam

Trung Quốc Nga

1 Tuyên Quang

Đập đá đắp Bản

Thành công

Đạt

Đập đá đắp Bản

Thành công

3 Sơn La Đập bê tông

Thành công

Châu

Đập bê tông

Thành công