Nghiên cứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn qua, kiểm chứng cho đập phân lân vĩnh phúc

TT Đánh giá Thủy điện Thủy lợi Đập lớn Đập nhỏ Đập lớn Đập nhỏ Đập % Đập % Đập % Đập % Hầu hết các hồ đập này đều có nhiệm vụ đa mục tiêu như tưới nông nghiệp, phòng chống lũ, cấp nước c

B ẢN CAM KẾT

Họ và tên học viên: Đỗ Thị Thùy Dung

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Tên đề tài luận văn: “Nghiên c ứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn qua, ki ểm chứng cho đập Phân Lân – Vĩnh Phúc”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn là do tôi làm Những kết quả nghiên cứu, tính toán là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác Nếu vi phạm tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu bất kỳ hình thức kỷ luật nào của Khoa và Nhà trường

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên cao học

Đỗ Thị Thùy Dung

tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ lợi, các thầy cô trong khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học đại học và cao

học tại trường

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở

mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Tác gi ả

Đỗ Thị Thùy Dung

M ỤC L ỤC

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 6

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 7

5 Kết quả đạt được của luận văn 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8

1.1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu 8

1.2 Nguyên nhân nước tràn đỉnh 13

1.3 Cơ chế xói lở đập đất khi nước tràn đỉnh đập 17

1.4 Phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến xói lở của đập đất khi nước tràn qua 20

1.5 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ XÓI MẶT ĐẬP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA DÒNG CHẢY TRÀN 23

2.1 Xói của đất hạt mịn 23

2.2 Xói của đất hạt rời 27

2.3 Cơ sở lý thuyết 31

2.4 Giới thiệu phần mềm Embank 32

2.5 Mô phỏng thí nghiệm 35

2.6 Kết luận chương 2 37

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÓI MÁI ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN QUA 39

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ chặt đến xói lở bằng thực nghiệm 39

3.2 Mô hình số tính toán 45

3.3 Kết luận chương 3 61

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN KIỂM CHỨNG CHO ĐẬP PHÂN LÂN – VĨNH PHÚC KHI NƯỚC TRÀN QUA 62

4.1 Tổng quan về đập Phân Lân – Vĩnh Phúc 62

4.2 Mô tả sự cố đập Phân Lân 64

4.3 Tính toán mô phỏng sự cố 65

4.4 Kết luận chương 4 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 77

Phụ lục A Bảng chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập Phân Lân 77

Phụ lục B1 Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 7,5 l/s 78

Phụ lục B2 Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 12,22 l/s 79

Phụ lục B3 Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 17,74 l/s 80

Phụ lục B4 Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 21,94 l/s 81

Phụ lục B5 Kết quả đo tốc độ xói mẫu đất - cấp lưu lượng Q = 26,61 l/s 82

Phụ lục C1 Kết quả tính toán lũ đến hồ Phân Lân 1 83

Phụ lục C2 Kết quả tính toán điều tiết lũ 85

Phụ lục D Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm 87

Phụ lục E Kết quả tính toán mô phỏng sự cố đập Phân Lân 1 92

DANH M ỤC HÌNH

Hình 1 Đập chính Đầm Hà Động khi nước tràn qua 4

Hình 2 Một số hình ảnh vỡ đập khi nước tràn qua 5

Hình 1 1 Mô hình thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh 9

Hình 1 2 Kết quả thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh 9

Hình 1 3 Mô hình thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy 10

Hình 1 4 Kết quả thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy 10

Hình 1 5 Mô tả thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất của Fujisawa [8] 11

Hình 1 6 Vỡ đập thủy điện Ia Krel 2 – Gia Rai 14

Hình 1 7 Vỡ đập thủy điện Hố Hô 15

Hình 1 8 Vỡ đập phụ số 2 Đầm Hà Động – Quảng Ninh 16

Hình 1 9 Hình ảnh đập Vajont sau khi xảy ra sự cố năm 1963 17

Hình 1 10 Quá trình vỡ đập do tràn đỉnh 20

Hình 2 1 Lực và áp lực tác động lên hạt trong điều kiện nước tĩnh 24

Hình 2 2 Lực và áp lực tác động lên hạt trong điều kiện nước chảy 25

Hình 2 3 Cơ chế trượt của hạt đất 27

Hình 2 4 Cơ chế quay của hạt đất 29

Hình 2 5 Cơ chế nhấc hạt đất 30

Hình 2 6 Sơ đồ tính toán của phần mềm Embank 33

Hình 2 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 35

Hình 2 8 Kích thước máng thí nghiệm 36

Hình 2 9 Thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất 36

Hình 2 10 Ống chứa mẫu đất 37

Hình 2 11 Hình ảnh chuẩn bị mẫu đất 39

Hình 2 12 Hình ảnh đo tốc độ xói của mẫu đất 40

Hình 3 1 Bố trí các mặt cắt đo mực nước và lưu tốc trên máng 42

Hình 3 2 Mẫu đất sau khi thí nghiệm 43

Hình 3 3 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và tốc độ xói 45

Hình 3 4 Sơ đồ tính toán 46

Hình 3 5 Đường quan hệ giữa thời gian và cao trình mực nước thượng lưu 47

Hình 3 6 Đường quan hệ giữa thời gian và lưu lượng nước tràn qua đỉnh 47

Hình 3 7 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập khi mái đập không được bảo vệ 51

Hình 3 8 Đường quan hệ giữa khối lượng đất bị xói và thời gian 52

Hình 3 9 Đường quan hệ giữa tốc độ xói và thời gian 52

Hình 3 10 Sơ đồ tính toán 53

Hình 3 11 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập khi mái đập được bảo vệ bằng cỏ 56 Hình 3 12 Đường quan hệ giữa khối lượng đất bị xói và thời gian 57

Hình 3 13 Đường quan hệ giữa tốc độ xói và thời gian 57

Hình 3 14 Sơ đồ tính toán 58

Hình 3 15 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập khi mái đập được bảo vệ bằng tấm bê tông 60

Hình 4 1 Bản đồ lưu vực hồ chứa Phân Lân – Vĩnh Phúc 63

Hình 4 2 Đâp Phân Lân 1 sau khi xảy ra vỡ đập 65

Hình 4 3 Đường quá trình lũ đến đập Phân Lân 1 66

Hình 4 4 Đường quá trình Qđến ~ t và qxả ~ t 67

Hình 4 5 Sơ đồ tính toán 68

Hình 4 6 Mô phỏng quá trình xói mái hạ lưu đập Phân Lân khi xảy ra sự cố 71

DANH M ỤC BẢNG

Bảng 1 Tổng hợp kết quả đánh giá an toàn đập thông qua khả năng vận hành 2

Bảng 2 1 Trọng lực và lực Van der Waals của hạt cát và sét 24

Bảng 2 2 Ứng suất cắt giới hạn τccho đất sét 26

Bảng 2 3 Một số nhân tố ảnh hưởng đến xói của đất hạt mịn 27

Bảng 3 1 Trọng lượng khối đất từng mẫu và các tính chất của đất 40

Bảng 3 2 Kết quả đo các yếu tố thủy lực 42

Bảng 3 3 Bảng kết quả tính toán ứng suất τ tại mặt cắt V-V 44

Bảng 3 4 Kết quả tính tốc độ xói cho từng mẫu đất 44

Bảng 3 5 Kết quả tính ứng suất cắt và hệ số xói cho từng mẫu 45

Bảng 3 6 Bảng thông số đầu vào 46

Bảng 3 7 Quá trình xói tại 14 bước tính toán 49

Bảng 3 8 Bảng kết quả tính toán khối lượng đất bị xói và tốc độ xói theo thời gian 50

Bảng 3 9 Quá trình xói tại 14 bước tính toán 54

Bảng 3 10 Bảng kết quả tính toán khối lượng đất bị xói và tốc độ xói theo thời gian 55 Bảng 3 11 Quá trình xói tại 14 bước tính toán 59

Bảng 4 1 Thông số hồ chứa nước Phân Lân 1 63

Bảng 4 2 Các đặc trưng của hồ chứa 65

Bảng 4 3 Quan hệ Z-F-V của hồ Phân Lân 1 65

Bảng 4 4 Bảng thông số đầu vào 68

Bảng 4 5 Quá trình xói tại 17 bước tính toán 70

PH ẦN MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Việt Nam là một quốc gia có nền kinh tế dựa vào nông nghiệp và là một trong những

quốc gia dễ tổn thương nhất bởi thiên tai do vị trí địa lý, điều kiện địa hình, khí hậu, cơ

cấu kinh tế và phân bố dân cư Với 14 lưu vực sông lớn phân bố trên cả nước, Việt Nam có nguồn tài nguyên nước phong phú với tổng lượng dòng chảy trên toàn lãnh

thổ ước tính khoảng 850 tỷ m3 Hơn 62 tỷ m3nước được trữ lại trong 6.886 hồ chứa để điều tiết, cấp nước cho các mục tiêu phát triển kinh tế - xã hội Có thể khẳng định

rằng, các hồ chứa đóng một vai trò rất quan trọng trong các hoạt động sản xuất và phát triển kinh tế của Việt Nam Trong tổng số 4,0 triệu hecta đất nông nghiệp thì có hơn 3,0 triệu hecta được tưới nhờ lấy nước từ 6.648 hồ chứa Với 238 đập thủy điện đang

vận hành, đã cung cấp tổng công suất lắp đặt là 13.066 MW, trong đó 86 nhà máy thủy điện lớn với công suất lắp đặt 30 MW trở lên với chiều cao đập lớn hơn 15m Các hồ

chứa được xây dựng để phục vụ đa mục tiêu như cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, phát điện và các ngành kinh tế khác, cải tạo cảnh quan môi trường sinh thái, điều tiết lũ để giảm nhẹ thiên tai

Theo thống kê của Tổng cục Thủy lợi [1], các hồ chứa lớn có chiều cao đập từ 15m trở lên hoặc có dung tích hồ chứa từ 3 triệu m3

trở lên là 675 hồ (chiếm 9,8% tổng số), trong đó có 115 hồ thủy điện và 560 hồ thủy lợi Số lượng hồ chứa có dung tích lớn hơn 1 tỷ m3

là 13 hồ chứa (11 hồ chứa thủy điện, 2 hồ chứa thủy lợi) Các hồ chứa nhỏ

có chiều cao đập từ 5m đến 15m và có dung tích hồ chứa từ 50.000 m3 đến dưới 3 triệu

m3 là 6.211 hồ chứa (chiếm 90,2% tổng số), trong đó 123 hồ thủy điện, 6.088 hồ thủy

lợi Trong số 6.648 hồ chứa thủy lợi có 16 hồ có dung tích trên 100 triệu m3

, 87 hồ có dung tích từ (10 ÷ 100) triệu m3, 68 hồ có dung tích từ (5 ÷ 10) triệu m3, 84 hồ có dung tích từ (3 ÷ 5) triệu m3, 459 hồ có dung tích từ (1 ÷ 3) triệu m3, 1.752 hồ có dung tích

từ (0,2 ÷ 1) triệu m3

và 4.182 hồ có dung tích dưới 0,2 triệu m3

Số lượng đập thủy điện có kết cấu bê tông trọng lực là 186/238 đập (chiếm 78,15%),

số lượng kết cấu đập vật liệu địa phương (đập đất, đất đá, đá đổ lõi sét, đá đổ bản mặt)

là 52/238 đập (chiếm 21,85%) Đối với đập thủy lợi, kết cấu đập vật liệu địa phương chiếm đa số (đập đất chiếm khoảng 98% ), chỉ có một số đập kết cấu bê tông trọng lực;

vật liệu đất đắp đập có thể được chia thành 3 loại: (i) Đất đỏ Bazan: Chủ yếu sử dụng

lớp đất thuần không có dăm sạn để đắp; (ii) Đất ven biển miền trung (từ Đà Nẵng trở vào): Thuộc loại pha tàn tích sườn núi nhưng lại có tính chất như loại hoàng thổ, khi

gặp nước thường trương nở – lún, ướt nhanh, tan rã mạnh Sử dụng loại đất này nếu không có giải pháp kỹ thuật về kết cấu sẽ dẫn đến mất an toàn và ổn định công trình;

và (iii) Đất pha tàn tích sườn núi: Thông thường kết cấu đập chỉ đơn thuần một dạng là đồng chất với γc = 1,6 – 1,7t/m3 được chọn trên cơ sở thí nghiệm Loại này được sử

dụng hầu hết ở các đập thuộc các tỉnh phía Bắc và khu bốn cũ

Đa phần tràn xả lũ đã xây dựng là tràn không cửa van (tính theo số lượng chiếm tới 95%), 80% ngưỡng tràn đỉnh rộng, nối tiếp sau tràn là dốc nước, bậcnước đơn điệu

với Vmax không vượt quá 15 ÷ 18m/s; hình thức tiêu năng đáy chiếm ưu thế, sân sau

thứ hai ít được chú trọng khi thiết kế Trừ một số công trình lớn đóng mở van bằng pittông thủy lực, còn lại đa phần bằng vitme và tời cuốn Bảng 1 thể hiện kết quả đánh giá hiện trạng an toàn đập thông qua khả năng vận hành [1]

Bảng 1 Tổng hợp kết quả đánh giá an toàn đập thông qua khả năng vận hành

TT Đánh giá

Thủy điện Thủy lợi Đập lớn Đập nhỏ Đập lớn Đập nhỏ Đập % Đập % Đập % Đập %

TT Đánh giá

Thủy điện Thủy lợi Đập lớn Đập nhỏ Đập lớn Đập nhỏ Đập % Đập % Đập % Đập %

Hầu hết các hồ đập này đều có nhiệm vụ đa mục tiêu như tưới nông nghiệp, phòng

chống lũ, cấp nước cho dân sinh và công nghiệp, du lịch, thủy sản, phát điện,… Phần

lớn hồ chứa thủy lợi được xây dựng trong bối cảnh: (i) Điều kiện kinh tế chưa phát triển nên nguồn vốn đầu tư hạn hẹp, thường phải giảm nhỏ qui mô; (ii) Kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không được sửa chữa định

kỳ, thiếu năng lực dự báo; (iii) do yêu cầu bức bách cấp nước cho hạ lưu nên một số

hồ còn tự nâng cao dung tích hiệu dụng, trong khi đa số là các hồ đập đất dẫn đến an toàn về hồ chứa bị đe dọa Kết quả là nhiều đập đã bị xuống cấp và mức độ an toàn

của đập thấp hơn so với tiêu chuẩn quốc tế, tăng nguy cơ rủi ro đối với sự an toàn của con người và kinh tế

Đa số các đập ở Việt Nam đều được xây dựng từ nhiều năm trước, chúng được áp

dụng tiêu chuẩn và quy chuẩn cũ, thêm vào đó ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đang ngày càng hiện hữu nên hiện nay khả năng mất an toàn hồ chứa ngày càng cao Cụ thể nhiệt độ tăng dẫn đến bốc hơi tăng, nhu cầu dùng nước tăng, dòng chảy đến các hồ

chứa cũng thay đổi một cách bất lợi như dòng chảy kiệt giảm, dòng chảy lũ tăng do sự thay đổi của thảm phủ Những ảnh hưởng này dẫn đến hiệu quả của các hồ chứa theo thiết kế sẽ không đảm bảo, mà muốn đảm bảo thì phải tăng dung tích hiệu dụng, với chiều cao đập không đổi thì dung tích chống lũ cho công trình sẽ bị giảm nhỏ, đặc biệt

với các hồ có dung tích nhỏ, bụng hồ bé thì mức độ an toàn của hồ đập sẽ giảm xuống

rất nhanh Khả năng nước tràn qua đỉnh đập rất dễ xảy ra Ngoài ra, do sai sót trong công tác quản lý như không mở kịp thời cửa van khi lũ về hay do thiết bị quản lý vận hành bị hư hỏng như trường hợp đập Hố Hô do mất điện nên không mở được cửa van khi lũ về; cửa van của Đầm Hà Động không được bảo dưỡng đúng, gãy tai van của đập

Dầu Tiếng,… cũng dẫn đến sự cố nước tràn qua đỉnh đập Với mỗi công trình, khi xảy

ra sự cố đều gây nên những tổn thất khác nhau, có đập bị vỡ nhưng cũng có những đập không bị vỡ Như đập chính của Đầm Hà Động khi xảy ra sự cố nước tràn đỉnh đập chính không bị vỡ mà ở hạ lưu chỉ bị nước làm cho mái đập bị xói mạnh (Hình 1)

Hình 1 Đập chính Đầm Hà Động khi nước tràn qua

Sự cố vỡ đập của các công trình thủy lợi, thủy điện thì không những ảnh hưởng tại khu

vực công trình mà còn ảnh hưởng tới khu vực rộng lớn phía sau đập, khi hàng triệu m3nước vượt khỏi tầm kiểm soát và quét sạch những gì có trên đường đi của chúng Có

rất nhiều nguyên nhân gây ra sự cố vỡ đập, tuy nhiên thực tế cho thấy nước tràn qua đỉnh đập là một trong các nguyên nhân chính Khi lượng nước đến hồ vượt quá khả năng trữ của hồ chứa, nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập, chảy dọc theo mái hạ lưu về phía hạ du công trình Tại vị trí chân mái hạ lưu, tại nơi lớp gia cố bị hư hỏng sẽ xảy ra xói mòn cục bộ và hình thành các vết nứt gây nên hiện tượng sạt lở mái hạ lưu Cứ như vậy, quá trình hình thành vết nứt phát triển rộng ngược lên đến đỉnh đập và xảy ra

vỡ đập Một số đập bị vỡ do tràn đỉnh như đập Hò Võ, Đồn Húng, Vệ Vừng (1978), Phân Lân, Đồng Đáng, Thung Cối (2013),… (Hình 1)

Đập phụ số 2 - Đầm Hà Động Đập Đồng Đáng–Thanh Hóa ngày

01/10/2013

Đập Phân Lân – Vĩnh Phúc ngày 3/8/2013 Đập Đakrong 3 – Quảng trị ngày

20/9/2013 Hình 2 Một số hình ảnh vỡ đập khi nước tràn qua

Có thể thấy rằng, hầu hết các công trình này đều được xây dựng từ nhiều năm trước

với biện pháp thi công thủ công, còn nhiều hạn chế về công nghệ, vật liệu Mặt khác các công trình hồ chứa thường phân bố rải rác, dân cư thưa thớt làm cho công tác quản

lý chưa được chú trọng, đặc biệt đối với các đập do chính quyền địa phương quản lý,

do không được đào tạo về chuyên môn thủy lợi, vận hành chủ yếu dựa vào kinh nghiệm bởi vậy dẫn đến những sự cố nghiêm trọng về đập không được phát hiện và xử

lý kịp thời Tuy nhiên, khi nước tràn qua cũng có những đập không bị vỡ mà chỉ làm

hư hỏng nặng mái hạ lưu như đập chính Đầm Hà Động (Hình 1) Như vậy, khi nước tràn qua đập đất, tùy thuộc vào đặc tính của mối con đập mà chúng có thể bị vỡ hoặc không vỡ

Bên cạnh đó, diễn biến phức tạp của khí hậu, không theo quy luật thông thường đã gây khó khăn cho công tác dự báo cũng như công tác quản lý an toàn hồ chứa Bởi vậy

việc nghiên cứu hiện tượng xói trên mái đập đất khi nước tràn qua là hết sức cần thiết

Đề tài: “Nghiên cứu hiện tượng xói lở trên mái đập đất khi nước tràn qua, kiểm chứng cho đập Phân Lân – Vĩnh Phúc” trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu đã và đang phát triển trên thế giới cũng như trong nước sẽ tập trung thí nghiệm một số yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng xói của đất đắp đập khi bị nước tràn qua; lựa chọn sử dụng mô hình số để tính toán kiểm chứng cho hiện tượng vỡ đập do tràn đỉnh của đập Phân Lân – Vĩnh Phúc và đề xuất một số giải pháp gia cố mái hạ lưu đập

2 M ục đích của đề tài

Thông qua nghiên cứu thí nghiệm hiện tượng xói của các mẫu đất và phân tích diễn

biến xói bằng mô hình số nhằm:

− Nghiên cứu hiện tượng xói của đất đắp đập khi nước tràn đỉnh

− Mô phỏng quá trình vỡ của đập Phân Lân – Vĩnh Phúc

− Đề xuất các giải pháp công trình phù hợp để bảo vệ mái hạ lưu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Đập đất đồng chất

Giới hạn nghiên cứu của luận văn:

− Nghiên cứu hiện tượng xói các mẫu đất đắp của đập Phân Lân thông qua thí nghiệm;

− Nghiên cứu diễn biến xói của đập Phân Lân trong một số trường hợp gia cố mái khác nhau bằng mô hình số (mô hình 2D)

4 Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận: Tiếp cận từ tổng quan đến cụ thể Tiếp cận toàn diện để không bỏ sót các yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả nghiên cứu Vấn đề nghiên cứu được suy ra từ

kiến thức tổng hợp và mang tính thuyết phục cao Đồng thời tập hợp các tài liệu có đề

cập đến tốc độ bào mòn bề mặt và các công trình nghiên cứu liên quan đến tràn đỉnh Phương pháp nghiên cứu:

− Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập tổng hợp tài liệu

− Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán và các phần mềm ứng

dụng

− Phương pháp phân tích, tổng hợp

5 K ết quả đạt được của luận văn

− Tổng quan tình hình nghiên cứu hiện tượng vỡ đập do nước tràn đỉnh trên thế giới cũng như ở Việt Nam Phân tích nguyên nhân, cơ chế vỡ đập do tràn đỉnh;

− Tổng quan được cơ chế xói của đất hạn mịn, đất hạt rời và cơ sở lý thuyết của hiện tượng xói của đất dưới tác dụng của dòng chảy mặt;

− Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xói thông qua thí nghiệm xác định các hệ số hàm xói;

− Từ kết quả thí nghiệm, sử dụng mô hình số để phân tích diễn biễn xói của đập đất (đập Phân Lân – Vĩnh Phúc) trong một số trường hợp gia cố mái hạ lưu khác nhau

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 S ự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

Đối với đập đất, hiện tượng nước tràn đỉnh đập là một trong số nguyên nhân gây vỡ đập Khi sự cố vỡ đập xảy ra gây hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho vùng hạ du hồ, thiệt hại đến tính mạng con người; kinh tế và làm mất cân bằng sinh thái, Khi nước tràn qua đỉnh đập, mái đập xuất hiện những rãnh xói nhỏ sau đó chúng mở rộng dần gây xói mòn, kết cấu mái đập bị phá vỡ, làm mái đập không còn khả năng chống đỡ gây trượt mái dẫn tới vỡ đập Sự an toàn của các đập bằng vật liệu địa phương trước

những diễn biến bất lợi của biến đổi khí hậu và thiệt hại to lớn về người, tài sản khi các con đập này bị sự cố đã đặt các quốc gia, các nhà khoa học trên thế giới cũng như

ở Việt Nam trước một yêu cầu cấp bách là nghiên cứu các giải pháp công nghệ để ứng phó với các sự cố có thể xảy ra, trong đó có vấn đề ứng phó với sự cố tràn đỉnh đập

1.1.1 Trên thế giới

Vấn đề tràn đỉnh đối với đê đập đã được quan tâm từ nhiều năm nay trên thế giới Đã

có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề xói lở trên mặt đập khi nước tràn đỉnh Các

mô hình nghiên cứu được thiết lập, mô phỏng tính toán, các phần mềm phục vụ tính toán nghiên cứu xói trên bề mặt được phát triển Năm 1943, White and Gayed đã tiến hành thí nghiệm cho nước tràn trên đỉnh một đập đất cao 0,3m xây dựng trong phòng thí nghiệm Năm 1985, Powledge and Dodge đã thực hiện thí nghiệm xói trong máng

thủy lực Năm 1998 Visser đã nghiên cứu quá trình vỡ của đập đất không dính khi nước tràn đỉnh Tổng cộng đã có 22 thí nghiệm về tràn đỉnh đập được thực hiện tại

Viện Nghiên cứu thủy lực Wallingford – Anh (Hassan và nnk., 2004) trên mô hình đập đắp bằng đất dính và đất rời (Hình 1.1); mục tiêu chung của các thí nghiệm này là để

hiểu rõ hơn về các quá trình vỡ đập do tràn đỉnh hoặc xới ngầm và xác định các thông

số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình này; kết quả xác định được mối quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy, mực nước thượng lưu và thời gian vỡ (Hình 1.2) Với 5 thí nghiệm tràn đỉnh quy mô lớn được thực hiện ở Na Uy dưới sự tài trợ của Hội đồng nghiên cứu Na Uy; mô hình thí nghiệm là một đập đất có chiều cao trên 6m (Hình

1.3), lưu lượng dòng chảy lớn nhất 450m3/s, kết quả xác định đươc mối liên quan giữa lưu lượng dòng chảy và thời gian vỡ (Hình 1.4)

Hình 1 1 Mô hình thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh

Hình 1 2 Kết quả thí nghiệm ở HR Wallingford, Anh

Hình 1 3 Mô hình thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy

Hình 1 4 Kết quả thí nghiệm tràn đỉnh ở Na Uy (The Agricultural Research Service - ARS) Đơn vị Nghiên cứu Kỹ thuật thủy lực tại Stillwater, Oklahoma đã tiến hành nghiên cứu quá trình xói mòn của đập đất khi có cỏ

bảo vệ Nghiên cứu này đã dẫn tới một mô hình xói mòn đã được tích hợp vào phần

mềm máy tính của cơ quan bảo tồn tài nguyên USDA Natural Resources Conservation Service (NRCS) Những kết quả nghiên cứu đã tạo sự phát triển của nghiên cứu trong lĩnh vực xói lở đập đất

Hình 1 5 Mô tả thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất của Fujisawa [2]

Fujisawa và các cộng sự (2008) tại đại học Okayama đã tiến hành thí nghiệm xói mẫuđất cát pha (10% sét, 12% hạt bụi và 78% cát) trên máng kính thủy lực (Hình 1.4) Thí nghiệm được tiến hành trên 28 mẫu đất có sự thay đổi của năng lượng đầm, dung trọng khô của đất và ứng suất cắt trên bề mặt mẫu Kết quả thí nghiệm đã chỉ ra sự ảnh hưởng của năng lượng đầm (độ đầm chặt) đến tốc độ xói của mẫu đất và mối quan hệ

giữa ứng suất tiếp sinh ra do dòng chảy và khả năng xói của đất

1.1.2 Ở Việt Nam

Vấn đề nghiên cứu quá trình vỡ đập được quan tâm từ lâu Giai đoạn đầu tập trung vào nghiên cứu sóng gián đoạn dùng để mô phỏng quá trình truyền lũ do vỡ đập tiếp đến là các nghiên cứu trên mô hình vật lý về sự phát triển của lỗ vỡ Đến những năm 1990 trở

lại đây, mô hình toán được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền lũ và ngập lụt hạ du

do vỡ đập Một số nghiên cứu về vỡ đập như sau:

− Năm 2006, TS Nguyễn Danh Oanh [3] cùng cộng sự đã nghiên cứu thí nghiệm mô hình thủy lực vỡ đập tràn xả lũ sự cố hồ Sông Hinh Thí nghiệm mô hình mặt cắt có

tỷ lệ mô hình λl = 15 nhằm xác định cơ chế vỡ đập ban đầu các yếu tố thủy lực tương ứng trong quá trình vỡ đập Mô hình tổng thể với λl = 50 sẽ bao gồm lòng hồ, kênh dẫn vào, tràn sự cố kênh xả hạ lưu Mô phỏng lòng hồ sông Hinh chủ yếu là

mô phỏng tương tự về thể tích hữu ích Mô hình mặt cắt được xây dựng trong máng kính rộng 40cm dài 17,30m Cũng như mô hình tổng thể để có phần dung tích hồ

chứa bổ sung điều tiết nước cho quá trình vỡ đập nên đã sử dụng lòng mô hình YALY cũ làm dung tích hồ chứa đồng thời khi thí nghiệm theo đường quá trình lũ đến để cấp lưu lượng vào hồ chứa Vì chiều dài máng có hạn nên mô hình mặt cắt

chỉ mô phỏng được 90m kênh dẫn thượng lưu và 80m kênh xả hạ lưu Mô hình mặt

cắt như trên đã nêu chủ yếu là xét cơ chế vỡ đập lúc ban đầu và quá trình xói sâu phá vỡ đập Vật liệu chế tạo tràn sự cố cũng được thiết kế tính toán như trong phần thiết kế vật liệu làm mô hình tổng thể Nghiên cứu đã thu được quá trình phát triền

lỗ vỡ của đập sự cố; Xác định lưu lượng tràn qua đập tràn sự cố, độ sâu và vận tốc dòng nước trên mái hạ lưu; Xác định hình dạng và kích thước lỗ vỡ theo thời gian; Xác định Q, H qua đập sự cố trong quá trình vỡ đập; Xác định thời gian vỡ đập từ lúc bắt đầu nước tràn đến khi lỗ vỡ lớn nhất và đập vỡ đến đáy

− Năm 2016, PGS.TS Lê Văn Nghị [4]cùng các cộng sự đã xây dựng 1 mô hình vật lý

gồm mô hình tổng thể chính thái 3D và mô hình phân đoạn (mô hình mặt cắt 2D)

với tỷ lệ 1/125, tương tự theo tiêu chuẩn Froude Vật liệu đắp đập được tính toán theo cấp phối vật liệu của công trình thực tế theo hồ sơ thiết kế, mô phỏng các lớp

vật liệu đắp đập có đường kính trung bình lớn hơn 50mm theo phương pháp tương

tương tự về lưu tốc khởi động Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình hình thành lỗ

vỡ tối đa của đập vật liệu địa phương (đập Hòa Bình) diễn ra trong thời gian khoảng

3 giờ trên mô hình mặt cắt và 1,2 giờ trên mô hình tổng thể Sóng gián đoạn chỉ

xuất hiện và đo được trong trường hợp vỡ đập bê tông, xuất hiện ngay sau khi vỡ và

tồn tại chỉ vài phút, chiều cao sóng đứng lớn nhất hơn 30m Vận tốc truyền sóng lớn

nhất gần 40m/s, năng luợng sóng tác động vào lòng dẫn rất lớn đạt ≅110m Trên mô hình vật liệu địa phương không có sóng gián đoạn

− Năm 2003, cố PGS.TS Lưu Như Phú cùng các cộng sự đã nghiên cứu hiện tượng

vỡ đê Ngọc Tảo của khu chậm lũ Vân Cốc khi có lũ tràn từ sông Hồng vào Nghiên

cứu chỉ mới dùng cát hạt mịn để mô phỏng vật liệu tương tự đắp đê mà chưa xét đến thành phần cấp phối hạt của lớp đắp

1.2 Nguyên nhân nước tràn đỉnh

Nước chảy tràn qua đỉnh đập là hiện tượng khi lượng nước đến hồ vượt quá khả năng

trữ của hồ chứa, nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập, chảy dọc theo mái hạ lưu về phía hạ

du công trình Các nguyên chính gây ra sự cố nước tràn đỉnh đập bao gồm:

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

Hình 1 6 Vỡ đập thủy điện Ia Krel 2 – Gia Rai

Sự cố xảy ra lúc 8 giờ 30 phút, ngày 01/8/2014, do tình hình mưa trên diện rộng và kéo dài tại lưu vực hồ chứa, lưu lượng lũ về hồ lớn, mực nước hồ chứa tăng nhanh,

mực nước hồ chứa vượt qua cao trình đỉnh đê quai thượng lưu đập (cao trình 204,8m) gây xói lở và làm vỡ hoàn toàn đê quai thượng lưu

− Tính toán sai khả năng tháo của tràn đẫn đến tràn không đáp ứng đủ khả năng tháo;

− Hầu hết các đập của Việt Nam được xây dựng từ nhiều năm trước nên khi thiết kế, đập đất được áp dụng tiêu chuẩn cũ, đến nay do điễn biến khí hậu phức tạp đẫn đến đập có khả năng mất an toàn, cao trình đỉnh đập thấp hơn so với tiêu chuẩn hiện hành Ngoài ra khi thi công đỉnh đập đắp thấp hơn cao trình thiết kế hoặc bị lún trong quá trình hoạt động gây nước tràn qua đỉnh đập;

− 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

đường cong dung tích hồ W = f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng lũ

của đập tràn Q=f(H) sai lệch với thực tế;

− Nhiều công trình được xây dựng từ lâu, do sự biến đổi về khí hậu, thảm phủ, chặt phá rừng nên lũ về nhanh và lớn hơn so với thiết kế trước đây dẫn đến hồ chứa không đảm bảo khả năng thoát lũ;

− Để nâng cao sức chứa của hồ, nhiều địa phương đã tự ý xây cao ngưỡng tràn lên, nên tràn không đảm bảo năng lực xả lũ theo thiết kế, dẫn đến nước lũ tràn đỉnh đập;

− Đối với những tràn điều tiết bằng cửa van, trong quá trình vận hành cửa van tràn bị

kẹt gây nước tràn đỉnh đập

Hình 1 7 Vỡ đập thủy điện Hố Hô

Sự cố xảy ra do mất điện và không có phương án máy phát điện dự phòng nên các cửa

xả tràn mở không triệt để, mực nước trong lòng đập từ đó dâng cao gây tràn đỉnh đập

− Vận hành cửa van tràn xả lũ không đúng theo quy trình;

Hình 1 8 Vỡ đập phụ số 2 Đầm Hà Động – Quảng Ninh

Lũ lớn và mưa như trút kéo dài từ đêm 29 tới rạng sáng 30.10 là một tác nhân chính gây vỡ đập thủy lợi Đầm Hà Động (huyện Đầm Hà, Quảng Ninh), nhưng theo người dân, lũ sẽ không có sức công phá lớn đến thế nếu xả lũ kịp thời, bởi một trong 3 cửa xả

lũ đã bị hỏng do áp lực nước lũ quá lớn, nếu xả kịp thời có thể không xảy ra sự cố tại Đầm Hà Động

− Nhiều hồ chứa nhỏ do dân xây dựng thiếu tràn xả lũ, cống lấy nước Khi có mưa

Hình 1 9 Hình ảnh đập Vajont sau khi xảy ra sự cố năm 1963

Thảm họa xảy ra năm 1963, do một khối lượng đất đá lớn đổ từ vách núi xuống hồ, gây ra những con sóng cao đến 200m, nước tràn qua đỉnh đập khiến 2.000 người thiệt

mạng dù cho Vajont vẫn còn nguyên

1.3 Cơ chế xói lở đập đất khi nước tràn đỉnh đập

Vỡ đập do tràn đỉnh bắt đầu bằng một sự cố nghiêm trọng được tạo ra bởi các sự kiện tương tác với nhau Sự cố này là sự kết hợp của các yếu tố thủy văn, thủy lực, sự vận chuyển bùn cát, địa chất , địa hình và thảm phủ Về mặt toán học quá trình này vẫn chưa được xây dựng trên cơ sở lý thuyết vững chắc và khá phức tạp Quá trình trình

vật lý được quan sát và có thể được chia thành các giai đoạn riêng biệt cùng với những

hậu quả mà nó gây ra Các bài học kinh nghệm có thể được rút ra từ các quá trình này Quá trình này là sự tương tác giữa đất và nước trải qua 2 giai đoạn mà bắt đầu là nước tràn đỉnh đập cho đến khi xuất hiện các rãnh nhỏ sau đó các rãnh nhỏ mở rộng, đất bị

xói mòn và bong tróc Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi đập vỡ hoặc đến khi đập không thể xói thêm nữa

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cố tràn đỉnh là kích thước hồ chứa, kích thước đập đất,

vật liệu đắp đập, kết cấu mái dốc, độ sâu tràn và chiều cao cột nước Quá trình tràn đỉnh đập được chia thành các giai đoạn như sau:

1.3.1 Giai đoạn bắt đầu

Giai đoạn này chỉ đơn giản là sự gia tăng mực nước hồ chứa, quá trình này có thể diễn

biến nhanh hoặc chậm Các yếu tố làm tăng mực nước hồ chứa là lũ đến hồ; sạt lở bờ

hồ, động đất Nguyên nhân thường gặp nhất của nước tràn qua đỉnh là lũ lụt do mưa Khi mực nước hồ tăng nhưng sự cố tràn đỉnh chưa xảy ra, trong thân đập có thể xuất

hiện xói ngầm Hiện tượng này không thể quan sát được bằng mắt thường và sẽ càng

trở nên nguy hiểm hơn khi mực nước hồ tiếp tục dâng cao Ngoài ra, tính chất của đất đắp đập cũng ảnh hưởng đến tốc độ xói ngầm dẫn đến vỡ đập Để tăng độ an toàn cho đập đất, trong thân đập bố trí tường lõi bằng đất sét hoặc bằng các vật liệu chống thấm

tốt cho thân và nền đập

1.3.2 Giai đoạn nước tràn qua đỉnh và các rãnh xói phát triển

Khi nước bắt đầu tràn qua đỉnh và chảy về phía hạ lưu, lúc này cột nước trên đỉnh

thấp, lực ma sát cao nên vận tốc dòng nước khi chảy xuống hạ lưu nhỏ Khi cột nước trên đỉnh tăng dòng nước chảy xuống hạ lưu đập có vận tốc tăng, lực kết dính giữa các

hạt đất không đủ sức chống chịu hạt đất bắt đầu di chuyển, bắt đầu xói mòn Trên mái

hạ lưu bắt đầu xuất kiện khe xói nhỏ Trong trường hợp mái hạ lưu được bảo vệ bởi cỏ thì quá trình xói sẽ diễn ra chậm hơn hoặc không diễn ra nếu như vận tốc của nước trên mái hạ chưa đủ sức kéo cỏ bật khỏi đất Ngoài ra, độ dốc cũng gớp phần làm tăng

hoặc giảm tốc độ xói mòn, độ dốc càng lớn thì tốc độ xói càng lớn và ngược lại

Có thể thấy rằng tốc độ xói trên mái hạ lưu đập khi nước tràn qua đỉnh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ đầm chặt của đất, thành phần hạt đất, độ kết dính giữa các hạt đất, độ dốc mái, và thảm phủ Nếu tính toán tốt những yếu tố trên thì có thể giảm đáng

kể tốc độ xói khi nước tràn đỉnh

1.3.3 Vỡ đập do tràn đỉnh

Nước chảy xuống mặt hạ lưu với vận tốc vượt mức cho phép làm phá vỡ tầng phủ và kéo theo các hạt đất xuống chân dốc Khi nước chảy đến chân đập hướng dòng chảy bị thay đổi đột ngột do độ dốc và phạm vi mái đập thay đổi từ sường dốc xuống chân đập Sự thay đổi đột ngột này tạo nước nhảy sinh ra năng lượng làm xói mạnh phía chân dốc Khi hiện tượng xói không được xử lý dưới tác dụng của dòng chảy vết xói

lấn dần về phía trung tâm đập và mở rộng theo thời gian Khi vết xói bắt đầu cắt vào đỉnh đập, bề rộng đỉnh đập sẽ giảm dần Khi vết xói đạt đến thượng lưu của đỉnh đập thì sự bào mòn diễn ra mạnh mẽ hơn, chiều cao đập giảm theo nhanh chóng đồng thời cũng mở rộng theo thời gian Quá trình vỡ đập do tràn đỉnh được mô tả chi tiết tại Hình 1.5 dưới đây[5]

Hình 1 10 Quá trình vỡ đập do tràn đỉnh

1.4 Phân tích nh ững yếu tố ảnh hưởng đến xói lở của đập đất khi nước tràn qua

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến xói lở của đập đất khi nước tràn qua như yếu tố thủy

1.4.1 Thủy văn

Lũ đến hồ vượt tần suất thiết kế làm mực nước hồ tăng dẫn đến tràn đỉnh đập Nước tràn trên mái đập gây xói mặt đập Ngoài ra, Nhân tố mưa gây xói mòn chủ yếu thông qua lượng mưa và cường độ mưa Lượng đất mất do xói mòn tỷ lệ thuận với lượng mưa, cường độ mưa Những trận mưa nhỏ có lượng xói mòn ít hơn những trận mưa

lớn; cùng một lượng mưa, trận mưa nào có cường độ mưa lớn hơn thì lượng đất xói mòn sẽ nhiều hơn

Khi nước tràn qua đỉnh đập kết hợp với mưa lớn làm dòng chảy trên mặt mái hạ lưu đập tăng đáng kể Dòng chảy mặt càng lớn thì sẽ tạo nên xung lực lớn tách và cuốn

những hạt đất mặt dẫn đến lượng đất xói mòn lớn

1.4.2 Thủy lực

Vận tốc càng lớn thì tốc độ xói càng lớn Khi vận tốc càng lớn mức độ phá vỡ lớp bảo

vệ mái đập càng cao Khi lớp bảo vệ bị phá vỡ các hạt đất lần lượt bị kéo ra ngoài và trôi theo dòng nước gây xói mái đập Vận tốc càng lớn thì quá trình xói càng diễn ra nhanh và mạnh hơn

1.4.3 Tính chất của đất đắp đập

Tính xói mòn của đất chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hạt, chỉ tiêu cơ lý, độ rỗng

của đất Khi nước tràn qua đỉnh đập, tùy thuộc vào loại đất đắp đập khác nhau đẫn đến

tốc độ xói cũng khác nhau Ngoài ra, khi trên bề mặt đập có cuội sỏi hoặc đá, thì dòng nước tràn từ đỉnh đập xuống va vào vật cản xé dòng nước làm tăng vận tốc gây xói

mạnh xung quanh vị trí viên đá nằm Bề mặt đập bị lồi lõm, không phẳng cũng làm cho tốc độ xói xảy ra nhanh hơn

1.4.5 Lớp bảo vệ mái

Đối với những loại vật liệu bảo vệ mái của đập đất khác nhau thì tốc độ xói của đất đắp đập khác nhau khi nước tràn qua đỉnh đập Giải pháp bảo vệ mái đập hạ lưu cho các đập đất thường được sử dụng là trồng cỏ trên lớp đất màu kết hợp với thiết kế đồng bộ hệ thống tiêu thoát nước mặt, nước thấm Khi nước tràn qua đỉnh đập, với mái

hạ lưu được bảo vệ tốt thì quá trình xói mòn đất diễn ra chậm và khó khăn hơn, giúp tăng sức chống chịu của đập khi xảy ra sự cố

− Khi nước tràn đỉnh đập có đập vỡ nhưng cũng có đập không vỡ Quá trình vỡ đập

do nước tràn đỉnh phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân khác nhau

− Quá trình diễn ra vỡ đập do tràn đỉnh được bắt đầu bằng việc nước tràn qua đỉnh đập gây hiện tượng xói mòn ở phía chân đập hạ lưu Khi hiện tượng xói không được

xử lý dưới tác dụng của dòng chảy vết xói lấn dần về phía trung tâm đập và mở

rộng theo thời gian Khi vết xói bắt đầu cắt vào đỉnh đập, bề rộng đỉnh đập sẽ giảm

dần Khi vết xói đạt đến thượng lưu của đỉnh đập thì sự bào mòn diễn ra mạnh mẽ hơn, chiều cao đập giảm theo nhanh chóng đồng thời cũng mở rộng theo thời gian

− Diễn biến xói mái đập khi nước tràn đỉnh đập phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính

chất của đất đắp, vật liệu gia cố mái đập, thủy văn, …

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ XÓI MẶT ĐẬP DƯỚI TÁC D ỤNG CỦA DÒNG CHẢY TRÀN

2.1 Xói c ủa đất hạt mịn

Đối với đất bùn và đất sét, bên cạnh trọng lượng của hạt còn có các loại lực khác như

lực tĩnh điện và lực Van der Waals Hình 2.1 và Hình 2.2 thể hiện các loại lực và áp

suất tác động lên hạt đất trong hai trường hợp điển hình [6] Áp suất nước uω bao quanh hạt nếu đất ở trạng thái bão hòa Lực tương tác fci xuất hiện tại điểm tiếp xúc

Lực tĩnh điện và lực Van der Waals fei Hình 2.2 thể hiện trường hợp nước tĩnh, áp

suất nước trên đỉnh của hạt nhỏ hơn dưới đáy nhưng sự chênh lệch không đáng kể Sự chênh lệch này cân bằng với sự chênh áp suất thủy tĩnh do chiều cao của hạt và tạo thành lực nâng hạt Hình 2.2 thể hiện trường hợp nước chảy và làm gia tăng chênh

lệch áp suất trên đỉnh và dưới đáy Chú ý rằng áp suất nước uω và lực nâng hạt là hàm

của thời gian t và dao động của dòng chảy Hình ảnh thể hiện trường hợp áp suất của nước thắng được trọng lượng hạt

Lực điện tĩnh bị đẩy bởi vì các hạt sét mang điện tích âm, lực Van der Waals là lực điện từ tương đối yếu thu hút các phân tử với nhau, mặc dù trung hòa về điện, các phân tử tạo thành lưỡng cực thu hút nhau như nam châm Các lực Van der Waals là

lực giữ các phân tử H20 với nhau trong nước Độ lớn của lực Van der Waals có thể ước tính như sau:

f(N/m2) = 10-28 / d(m)4trong đó:

d là khoảng cách giữa các hạt đất tính bằng m;

f là lực hấp dẫn tính bằng N/m2

Nhân f với diện tích bề mặt của hạt sẽ được lực liên kết hạt Bảng 2.1 thể hiện giá trị

của lực này đối với hạt cát và hạt sét [6]

Bảng 2 1 Trọng lực và lực Van der Waals của hạt cát và sét

1 x 10-61,36 x 10-13 3,14 x 10-16 2,3 x 10-3

Hình 2 1 Lực và áp lực tác động lên hạt trong điều kiện nước tĩnh

Hình 2 2 Lực và áp lực tác động lên hạt trong điều kiện nước chảy

uw: áp lực nước xung quanh hạt

τ: ứng suất cắt xung quanh hạt

Trong cả hai trường hợp, các hạt đất được giả định là hình cầu và khoảng cách giữa các hạt bằng đường kính hạt Đầu tiên, tỷ lệ giữa khối lượng và kích thước hạt cát và

hạt sét cũng tương tự như tỷ lệ giữa khối lượng và kích thước của một chiếc Boeing

747 và một con tem, vì vậy nếu ứng suất cắt giới hạn tỷ lệ thuận với trọng lượng hạt, thì ứng suất cắt giới hạn của đất sét gần như bằng 0 Thứ hai, tỷ lệ giữa lực Van der Waals và trọng lượng của hạt cát thể hiện rằng lực Van der Waals không đáng kể trong đất cát Thứ ba, tỷ số tương tự đối với đất sét lớn hơn 1017 lần so với cát và vì vậy lực Van der Waals là không đáng kể so với khối lượng của hạt sét Điều này dẫn tới τc gần

bằng 0 đối với đất sét Do tính chất phức tạp của loại liên kết này mà rất khó dự đoán

τc cho đất sét dựa trên cơ sở của một vài chỉ số thuộc tính Một số nghiên cứu đã đề

xuất hàm thực nghiệm của τc cho đất sét như Dunn(1959), Lyle và Smerdon(1965)

Một vấn đề liên quan đến việc đo τc là xác định thời điểm bắt đầu xói, khi hạt đất đầu tiên được mang đi (nhìn được bằng mắt thường) hay khi dòng chảy trở nên đục Bảng 2.2 thể hiện các giá trị đo được trong một phạm vi rộng là do thiếu định nghĩa chính xác thời điểm bắt đầu xói [6]

Bảng 2 2 Ứng suất cắt giới hạn τc cho đất sét

Hydrotechnical Construction, Moscow (1936) 1–20

Lyle and Smerdon (1965)

Smerdon and Beasley (1959)

0,35–2,25 0,75–5

Tốc độ xói thường rất nhanh trong đất cát, chậm trong đất sét và cực chậm trong đá

Tốc độ xói cao trong cát bởi vì trọng lực được khắc phục, không có lực nào khác làm

chậm quá trình xói Tốc độ xói rất chậm trong đá bởi vì nó mất một lượng lớn chu kỳ ứng suất sinh ra bởi dòng chảy để thắng được liên kết tinh thể rất mạnh của đá Lưu ý

rằng đá cũng có thể xói rất mạnh khi đá bị phân hóa và dòng chảy có lưu tốc lớn như ở

cuối đập tràn Tốc độ xói thấp trong đất sét là do nó phải mất một số lượng lớn chu kỳ ứng suất để thắng được liên kết điện từ tạo ra bởi lực Van der Waals giữa các hạt sét

Mặc dù các liên kết này tương đối yếu, nó cũng đủ để làm chậm đáng kể quá trình xói

ột số nghiên cứu đã đo tốc độ xói của đất dính, hầu hết đề xuất quan hệ đường thẳng

(Ariathurai và Arulanandan, 1978), một số tìm ra dạng quan hệ cong chữ S (Christensen, 1965) Một số nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ xói của đất hạt mịn được trình bày trong Bảng 2.3 [6]

Bảng 2 3 Một số nhân tố ảnh hưởng đến xói của đất hạt mịn

2.2 Xói c ủa đất hạt rời

Cát và cuội sỏi bị xói đi bởi các hạt, được giải thích bởi ba cơ chế xói chủ yếu là trượt, quay và nhấc lên

Một cơ chế trượt đơn giản (Hình 2.3) giả thiết rằng các hạt đất hình cầu, lực tác dụng

bởi nước lên hạt đất là lực cắt song song với mặt chịu xói, và các hạt đất xung quanh không tác dụng lực lên hạt đất đang xét bởi vì chúng di chuyển cùng tốc độ Bỏ qua

lực điện từ và điện tĩnh giữa các hạt bởi vì đây là đất hạt rời [7]

Hình 2 3 Cơ chế trượt của hạt đất

Khi tăng vận tốc, ứng suất sinh ra do dòng chảy τ trở nên đủ lớn để vượt qua lực ma sát giữa hai hạt đất đặt trên đỉnh của chúng, đất bị trượt Ứng suất cắt giới hạn τc là ứng suất mà ở đó xói bắt đầu diễn ra Cân bằng lực theo phương ngang ta có:

ρρπ

α

τc ( D502 / 4 ) = ( s − ω)g( D503 / 6 ) tan (b)

αϕρ

ρ

τc =2( s − ω)gD50(tan )/3 (c) trong đó:

α: là tỷ số giữa vùng ma sát hiệu quả và mặt cắt ngang lớn nhất của hạt đất hình cầu,

D50: đường kính mắt sàng có 50% khối lượng hạt chui qua,

ρs, ρω: dung trọng của hạt đất và của nước

Công thức (c) chỉ ra rằng ứng suất cắt tới hạn có quan hệ tuyến tính với đường kính

hạt Briaud và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm cho đất cát và cuội sỏi ở EFA và đã xác định quan hệ xấp xỉ:

) ( )

Một cơ chế quay đơn giản (Hình 2.4) giả thiết rằng các hạt đất hình cầu, lực tác động

của nước lên các hạt đất theo phương song song với mặt chịu xói, bỏ qua tác động của các hạt đất bên cạnh và sự quay diễn ra xung quanh điểm tương tác với hạt đất bên dưới Bỏ qua lực điện tĩnh và điện từ giữa các hạt [7]

Hình 2 4 Cơ chế quay của hạt đất

Tại thời điểm chuyển động ban đầu, cân bằng moment quanh điểm O ta có:

50 2

απ

hay τc =2((ρs −ρω)gD50sinβ)/(3α(1+cosβ)) (g)

Công thức (g) thể hiện τc quan hệ tuyến tính với D50 Cho giá trị hợp lý của ρs, ρω, g

và cho α=1, từ (d) và (g) điều này thể hiện một sự xắp xếp lỏng lẻo của đất Trong thí nghiệm EFA để tìm ra công thức (d) cũng sử dụng loại đất kém chặt Vì vậy, cơ chế quay hợp lý hơn cơ chế trượt Công thức (g) cũng chỉ ra rằng τc tỷ lệ tuyến tính với

D50 và hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mật độ tương đối

Cơ chế nhấc hạt đơn giản là giả thiết hạt đất hình khối, áp suất nước trên đỉnh của khối

là ut và áp suất dưới đáy là ub Hình 2.5 thể hiện một cơ chế nhấc hạt đất đơn giản [7]

Hình 2 5 Cơ chế nhấc hạt đất

Nếu như giả thiết rằng tất cả các hạt được nhấc lên cùng một thời điểm Sự chênh lệch

áp suất giữa đỉnh và đáy cần thiết để tạo sự nâng ban đầu của hạt hoặc khối hạt là:

Chênh lệch áp suất ub-ut là tổng của chênh lệch áp suất thủy tĩnh (ub-ut)0 và chênh áp

suất tạo ra bởi dòng chảy Δu:

u u

u u

Đối với hạt đất có a = 1mm, áp suất thủy tĩnh (ub-ut)0 bằng 10N/m2, áp suất thủy tĩnh làm giảm trọng lượng hạt Chênh áp suất cần thiết để nâng hạt đi Δu = 15N/m2

Giá trị

của Δu tương đương với 1,5mm nước và nó rất dễ tăng lên Nó được sinh ra tự động

bởi dòng chảy bao gồm sự dao động và xáo trộn trong nước Áp suất dao động này rất khó đo đạc, nó có thể tính toán bằng mô hình số

Các phân tích về cơ chế trượt, quay, và nhấc lên giúp xác định các nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến chuyển động ban đầu của đất Tuy nhiên, chúng không đáng tin cậy để

dự đoán, ngày này nhiều thí nghiệm được thực hiện để xác định τc

2.3 Cơ sở lý thuyết

Dựa vào hàm mô tả tốc độ xói của đất dính từ các nghiên cứu trước đây (Kazunori

Fujisawa, Akira Kobayashi, Kiyohito Yamamoto, 2008):

γ

τ τ

τc là ứng suất cắt tới hạn của đất (N/m2);

α là các hằng số xói của vật liệu;

γ là số mũ thường lấy bằng 1

Vận tốc giới hạn tạo ra ứng suất giới hạn τc là ứng suất khi đất bắt đầu bị xói Khi vận

tốc cũng như ứng suất của dòng chảy thấp hơn giá trị này thì không có xói, ngược lại xói sẽ diễn ra ở một tốc độ xác định Giá trị giới hạn xói này rất cần thiết trong xây

dựng, nhưng nó không tồn tại một cách tự nhiên, ví dụ như đá granite có giá trị ứng

suất giới hạn rất cao Trong trường hợp này, ứng suất chưa đạt giá trị giới hạn nhưng

đá vẫn bị xói Lý do giải thích cho việc này là không có một giới hạn tuần hoàn cho

vật liệu và ứng suất tuần hoàn thậm chí rất nhỏ cũng có thể phá vỡ được liên kết vật

liệu, chỉ có điều là số chu kỳ cần thiết để phá vỡ liên kết Vì vậy, người ta đã chấp

nhận một định nghĩa cụ thể về ứng suất giới hạn, đó là ứng suất tương ứng với tốc độ xói 1mm/giờ trong hàm xói Nếu vượt quá ứng suất giới hạn, xói bắt đầu diễn ra và

cần biết xói đang diễn ra nhanh như thế nào với một giá trị vận tốc cụ thể

Ứng suất cắt trung bình trên bề mặt mẫu đất xác định theo công thức của Shaikh và các cộng sự (G.J hanson, K.R Cook, S.L Hunt) :

2 2

fy

fx S S

h là chiều sâu nước (m);

fx

S , S fy là năng lượng mái dốc được xác định theo công thức Manning :

3 / 4

2 2 2

h

v u u n

S fx = + ; 4/3

2 2 2

h

v u v n

S fy = +

n là hệ số nhám Manning;

u và v là lưu tốc dòng chảy theo phương x và y

Các hệ số xói của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đường kính hạt đất, độ ẩm

của đất khi đầm, nhiệt độ nước, độ đầm chặt và các chỉ tiêu cơ lý của đất (γ, φ, c),…Thí nghiệm sẽ tập trung nghiên cứu sự thay đổi của các hệ số xói của vật liệu dưới ảnh hưởng của độ đầm chặt K, dung trọng của đất γ, các chỉ tiêu cơ lý của đất φ,c, cũng như mối quan hệ giữa tốc độ xói với ứng suất cắt sinh ra do dòng chảy, từ đó xác định được các hệ số xói của vật liệu khi thay đổi các chỉ tiêu trên

2.4 Gi ới thiệu phần mềm Embank

EMBANK là chương trình tính toán khả năng xói gây vỡ đập vật liệu địa phương khi nước tràn qua đỉnh đập Chương trình được thực hiện bởi tập đoàn Simons, Li & Associates, Inc, hai tác giả chính là Y.H Chen và Bradley A Anderson Dựa theo các

kết quả thí nghiệm được công bố trên báo cáo “Development a Methodology for Estimating Embankment Damage Due to Flood Overtopping, năm 1987” các tác giả

đã xây dựng một chương trình tính toán mô phỏng cơ chế vỡ đập bằng ngôn ngữ Fortran [8] Sơ đồ tính toán của chương trình được trình bày tại Hình 2.7 Với J là thời đoạn tính toán; ITIME là số thời đoạn giới hạn