Nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước

i LỜI CAM ĐOAN Mã số học viên : 138580202053 Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “ Nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước

i

LỜI CAM ĐOAN

Mã số học viên : 138580202053

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “ Nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước và áp dụng cho hồ

chứa nước Vực Mấu, tỉnh nghệ an” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Tôi

xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Hà Nội, tháng 02 năm 2017

Tác giả luận văn

Bùi V ăn Hiệu

ii

LỜI CẢM ƠN

Với sự giúp đỡ của GS.TS Phạm Ngọc Quý, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn

Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu tràn

sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước và

áp dụng cho hồ chứa nước Vực Mấu, tỉnh nghệ an” đã được hoàn thành

Tác giả xin cảm ơn chân thành đến, Công ty TNHH MTV thủy lợi bắc Nghệ An, đơn

vị trực tiếp quản lý đầu tư xây dựng và khai thác công trình hồ chưa nước Vực Mấu đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn này, cùng các cơ quan đơn vị

và các cá nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như

sự giúp đỡ cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua

Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Quý, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 02 năm 2017

iii

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài 1

II Mục đích của đề tài 2

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 2

IV Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA TẠI VIỆT NAM 4

1.1 Thực trạng an toàn hồ chứa nước tại Việt Nam 4

1.2 Lũ vượt thiết kế, nguyên nhân và giải pháp đảm bảo an toàn 11

1.3 Khái quát về tràn sự cố 16

1.4 Hình thức kết cầu các loại tràn sự cố 20

1.5 Vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu 25

1.6 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRÀN SỰ CỐ KIỂU GIA TẢI BẰNG NƯỚC GÂY VỠ ĐẬP ĐẤT TẠM 27

2.1 Giới thiệu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 27

2.2 Sơ đồ bố trí tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 27

2.3 Nguyên lý làm việc 28

2.4 Xây dựng mặt cắt tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 30

2.5 Tính toán thủy lực tràn 46

2.6 Tính toán điều tiết lũ tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 50

2.7 Quy trình vận hành, bảo dưỡng tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 55

2.8 Quy trình thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 55

2.9 Kết luận chương 2 60

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TRÀN SỰ CỐ KIỂU GIA TẢI BẰNG NƯỚC GÂY VỠ ĐẬP ĐẤT TẠM TRONG CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC VỰC MẤU 61

3.1 Giới thiệu về công trình hồ chứa nước Vực Mấu 61

3.2 Đặc điểm tự nhiên vùng hồ Vực Mấu 62

3.3 Tính toán điều tiết lũ và đánh giá hiện trạng hồ chứa nước Vực Mấu 64

iv

3.4 Xác định hướng nghiên cứu cho hồ chứa nước Vực Mấu 68

3.5 Thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho công trình hồ chứa nước Vực Mấu 68

3.6 Tính toán thủy lực tràn sự cố 73

3.7 Kết luận chương 3 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

I Các kết quả đạt được của luận văn 80

II Một số điểm tồn tại 81

III Kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 1: BẢNG THỐNG SỐ KỸ THUẬT HỒ CHỨA VỰC MẤU 83

PHỤ LỤC 2: TÌM HỆ SỐ MÁI HẠ LƯU (mh) ĐẬP ĐẤT TẠM 86

PHỤ LỤC 3: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BỂ GIA TẢI 88

PHỤ LỤC 4: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG TỰ VỠ CỦA ĐẬP ĐẤT 89

PHỤ LỤC 5: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ 90

I KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT TRÀN HIỆN TRẠNG 90

II KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ KHI CÓ TRÀN SỰ CỐ 115

PHỤ LỤC 6: TÍNH TOÁN XI PHÔNG DẪN NƯỚC GIA TẢI 120

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sạt trượt sâu mái đập 5

Hình 1.2 Vỡ đập dạng vết vỡ hình thang 6

Hình 1.3 Vỡ đập đất hồ Đồng Đáng tỉnh Thanh Hóa 7

Hình 1.4 Vỡ đập phụ 2 hồ Đầm Hà Động tỉnh Quảng Ninh 7

Hình 1.5 Sự cố tràn xả lũ 8

Hình 1.6 Sự cố trầm tích bùn cát đến mở cửa van sập tự động 8

khống chế bằng thủy lực 8

Hình 1.7 Lũ tràn qua đỉnh đập Hố Hô 9

Hình 1.8 Tường cánh tràn xả lũ đập Yang Kang Thượng (ở xã Yang Kang, huyện Krông Bông, Đắk Lắk) bị vỡ 9

Hình 1.9 Sự cố thấm, hang ngầm mang cống 9

Hình 1.10 đất đá vùi lấp khiến cống bị tắc, không thể điều tiết nước 10

Hình 1.11 Trụ giữa của cầu ra cống lấy nước có hiện tượng sụt lún 10

Hình 1.12 hồ chứa nước Hố Hô xả lũ 11

Hình 1.13 Ngập lụt ở hạ lưu hồ Hố Hô 11

Hình 1.14 Nâng cao chiều cao đập đất hồ chứa nước Bà Tùy, tỉnh Nghệ An 14

Hình 1.15 Nâng cao chiều cao đập đất hồ chứa nước Đại Sơn, tỉnh Bình Định 15

Hình 1.16 Mở rộng cửa tràn xả lũ hồ chứa nước Khe Xiêm, tỉnh Nghệ An 15

Hình 1.17 Mở rộng, hạ cao độ ngưỡng tràn xả lũ hồ chứa nước Bà Tùy, tỉnh Nghệ An 15

Hình 1.20 Tràn sự cố ngưỡng thực dụng, cửa van cung 20

Hình 1.21 Tràn sự cố kiểu cửa van tự động 20

Hình 1.22 Mặt cắt tràn được gia cố bằng đá xây (hồ Thanh Lanh – Vĩnh Phúc) 21

Hình 1.23 Ngưỡng tràn dích dắc 22

Hình 1.24 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ (cao hơn 5m) 23

Hình 1.25 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ (thấp hơn 5m) 23

Hình 1.26 Tràn sự cố kiểu vỡ đập đất bằng năng lượng thuốc nổ 24

Hình 1.27 Tràn sự cố kiểu dẫn xói gây vỡ đập đất 24

Hình 1.28 Tràn sự cố kiểu cầu chì 25

Hình 2.1 Cấu tạo tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất 27

vi

Hình 2.2 Mặt bằng tràn sự cố vị trí trên đập phụ 28

Hình 2.3 Mặt bằng tràn sự cố vị trí sườn đồi 28

Hình 2.4 mặt bằng bố trí tràn sự cố vị trí vai đập chính và tràn xả lũ chính 28

Hình 2.5 Mực nước trong hồ chứa tăng, nước bắt đầu vào bể gia tải 29

Hình 2.6 Giả thiết cung trượt xuất hiện trong đập đất 29

Hình 2.7 Đập đất tạm vỡ mái hạ lưu 29

Hình 2.8 Nước lũ xả qua ngưỡng tràn sự cố 30

Hình 2.9 Cắt dọc ngưỡng tràn đỉnh rộng gia cố đầu ngưỡng 31

Hình 2.10 Cắt dọc ngưỡng tràn đỉnh rộng gia cố toàn ngưỡng 31

Hình 2.11 Tương quan giữa chiều dài ngưỡng tràn và đáy đập đất tạm 33

Hình 2.12 Cắt ngang đập đất tạm 33

Hình 2.13 Xác định kích thước lớp cát kẹp 35

Hình 2.14 Sơ đồ tính toán xác đinh hệ số mái hạ lưu mh 35

Hình 2.15 Sơ đồ hóa các bước tính toán xác định mh 36

Hình 2.16 Đập đất tạm trong trạng thái giới hạn 37

Hình 2.17 Đập đất tạm vượt trạng thái giới hạn 37

Hình 2.18 Sơ đồ hóa các bước tính toán xác định Pv 37

Hình 2.19 Bể gia tải và ống thoát nước mưa 38

Hình 2.20 Xi phông dẫn nước gia tải 40

Hình 2.21 Rãnh thoát nước mưa mái hạ lưu 43

Hình 2.22 chi tiết cấu tạo bể gia tải tường xây đá hộc 43

Hình 2.23 Xi phông dẫn nước gia tải bê tông cốt thép (dạng cống) 44

Hình 2.24 Cắt ngang xi phông dẫn nước gia tải bê tông cốt thép 44

Hình 2.25 Xi phông dẫn nước gia tải bằng ống thép 44

Hình 2.26 Cắt ngang xi phông dẫn nước gia tải bằng ống thép 44

Hình 2.27 Cắt ngang chi tiết đập đất tạm 45

Hình 2.28 Cắt dọc chi tiết đập đất tạm 45

Hình 2.29 Chính diện hạ lưu đập đất tạm 45

Hình 2.30 Chi tiết ngưỡng tràn sự cố đá lát khan 46

Hình 2.31 Chi tiết ngưỡng tràn sự cố gia cố đầu ngưỡng tràn bằng bê tông 46

Hình 2.32 Đập tràn đỉnh rộng 47

vii

Hình 2.33 Sơ đồ chảy của đập tràn đỉnh rộng không ngập 47

Hình 2.34 Sơ đồ chảy ngập của đập tràn đỉnh rộng 49

Hình 2.35 Đường quá trình lũ kết hợp tràn chính và tràn sự cố 52

Hình 2.36 Sơ đồ tính toán điều tiết lũ bằng phương pháp lặp trực tiếp 54

Hình 2.37 Quy trình thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho các công trình mới 58

Hình 2.38 Quy trình thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho các công trình sửa chữa nâng cấp 59

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí đầu mối công trình hồ chứa nước Vực mấu 61

Hình 3.2 Cắt dọc tràn xả lũ hồ chứa Vực Mấu hiện trạng 65

Hình 3.3 Mặt bằng tràn xả lũ hồ chứa Vực Mấu trước sửa chữa với 3 cửa tràn 65

Hình 3.4 Mặt bằng tràn xả lũ hồ chứa Vực Mấu sau sửa chữa với 5 cửa tràn 66

Hình 3.5 Hạ lưu tràn xả lũ 67

Hình 3.6 Tháp van cống dưới đập 67

Hình 3.7 Mái thượng lưu đập chính 67

Hình 3.8 Hạ lưu cống dưới đập 67

Hình 3.9 Vị trí tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm hồ chứa nướcVực Mấu 69

Hình 3.10 Mặt bằng tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 71

Hình 3.11 Cắt ngang tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 72

Hình 3.12: Cắt dọc tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 72

Hình 3.13 Chính diện hạ lưu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm 72

Hình 3.14 Chi tiết xi phông dẫn nước gia tải 73

Hình 3.15 Chi tiết rãnh dẫn nước mưa 73

Hình PL2.1 Kết quả tính toán ổn định khi mh = 1.50 86

Hình PL2.2 Kết quả tính toán ổn định khi mh = 1.25 87

Hình PL2.3 Kết quả tính toán ổn định khi mh = 1.0 87

Hình PL2.4 Kết quả tính toán ổn định khi mh = 0.75 87

Hình PL3.1 Kết quả tính toán ổn định tìm kích thước bể gia tải 88

Hình PL4.1 trường hợp 1, mực nước trong hồ +21.00 89

Hình PL4.2 trường hợp 4, mực nước trong hồ +24.90 vượt MNLKC 89

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

Bảng 1.1 Số lượng hồ chứa theo quy mô dung tích 4

Bảng 1.3 Mực nước vượt thiết kế của một số hồ chứa nước 12

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn tính lũ theo các tiêu chuẩn, quy phạm qua các thời kỳ 12

Bảng 1.4 Tần suất lũ tính toán tràn sự cố của một số hồ đã xây dựng 17

Bảng 1.5 Tần suất tính toán thiết kế tràn sự cố ở đầu mối hồ chứa nước [1] 17

Bảng 2.1 Hệ số lưu tốc ϕn của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập theo trị số trung bình của Đ.I Kumin (Viện khoa học nghiên cứu thủy lợi toàn Liên Xô) [6] 49

Bảng 3.1 Đặc trưng địa hình lòng hồ 62

Bảng 3.2 Mưa tiêu thiết kế [7] 64

Bảng 3.3 Dòng chảy lũ (thời kỳ chính vụ) [7] 64

Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra điều tiết lũ 66

Bảng 3.5 kết quả tính toán ổn định đập đất tạm 74

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp kết quả tính toán khả năng tháo của tràn khi tràn sự cố và tràn chính làm việc đồng thời 79

Bảng PL2.1 Kết quả tính toán hệ số mái hạ lưu mh 86

1

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính c ấp thiết của đề tài

Công trình hồ chứa nước là một loại công trình thủy lợi đặc biệt có nhiệm vụ biến đổi

và điều tiết nguồn nước phù hợp với yêu cầu dùng nước khác nhau của các ngành kinh

tế, xã hội an ninh quốc phòng và phòng chống giảm nhẹ thiên tai

Trong lịch sử nhiều nước trên thế giới, bão lụt, động đất đã gây thiệt hại lớn về người

và của, uy hiếp nghiêm trọng đến an toàn các công trình thủy lợi Ở Trung Quốc, trước năm 1980 chưa có tràn sự cố, tháng 8 năm 1975 xuất hiện lũ lớn vượt thiết kế làm hư

hại nhiều đập hồ Từ đó người ta đã đưa ra khái niệm mực nước lũ bảo vệ đập và cần

có tràn sự cố Từ năm 1980 đã thực hiện thiết kế, xây dựng bổ sung tràn sự cố cho các

hồ chứa đã có hoặc đang trong xây dựng mới

Cùng với việc nghiên cứu về tràn chính, người ta còn nghiên cứu kết hợp tràn sự cố tháo kết hợp với tràn chính để giảm giá thành công trình tràn xả lũ Ở tỉnh Liêu Ninh (Trung Quốc) làm tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ, kết hợp tràn chính xả lũ đã giảm 40% ÷ 60% giá thành công trình xả lũ Ở Australia so sánh 5 đập

có dùng tràn sự cố (kết hợp với tràn chính) cho thấy vốn đầu tư giảm 20% ÷ 30% so

với chỉ dùng tràn chính

Ở Mỹ, Mexico, Pháp, Australia, Bồ Đào Nha, Algeria người ta đã có những nghiên

cứu lý thuyết và mô hình thủy lực về hình thức kết cấu, khả năng tháo của tràn dích

dắc (tràn Labyrinth) và đã xây dựng loại tràn phím đàn piano, loại mỏ vịt, loại ngưỡng xiên… để tăng chiều dài ngưỡng lên nhiều lần (mặc dù chiều rộng đường tràn theo hướng thẳng không đổi, nghĩa là khoảng cách giữa 2 mố biên không thay đổi)

Đặc biệt Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới ẩm, gió mùa, sự khắc nghiệt về thời tiết, tính

ác liệt của mưa to, lũ lớn xảy ra thường xuyên trong năm, từ vùng này sang vùng khác

Những năm gần đây hiện tượng El-Nino và La-Nina xuất hiện, gây ra lũ quét, lũ lớn,

lũ đặc biệt lớn vượt tiêu chuẩn thiết kế ngày càng nhiều Vì vậy bên cạnh cần có cảnh báo, dự báo lũ, tính toán lũ vượt thiết kế, cũng cần có tràn sự cố

Vào đầu tháng 10 năm 2013, do lượng mưa cường độ lớn kéo dài trên địa bàn huyện

lớn trên diện rộng Vì vậy, khi mực nước trong hồ vượt mực nước lũ thiết kế do biến đổi khí hậu ngày một sâu sắc, giải pháp để đảm bảo an toàn đập khi tràn chính không đạt đủ lưu lượng xả khi mực nước trong hồ vượt mực nước lũ thiết kế cần phải được đưa ra giải đáp để đảm bảo an toàn cho hồ Vực Mấu

II M ục đích của đề tài

Đánh giá tổng quan về nguyên nhân mất an toàn hồ chứa vừa và nhỏ tại Việt Nam và tầm quan trọng của tràn sự cố Nghiên cứu đề xuất giải pháp tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm đảm bảo an toàn hồ chứa và áp dụng cho hồ chứa nước Vực Mấu

III Cách ti ếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận: Từ những phân tích đặc điểm làm việc thực tế kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn về nguyên tắc làm việc của tràn kiểu gia tải bằng nước gây

vỡ đập đất

Phương pháp nghiên cứu:

+ Thu thập thống kê dựa trên các tài liệu nghiên cứu khoa học về an toàn hồ chứa đã được công nhận

+ Phương pháp kế thừa : dựa trên các phương pháp tính toán thủy lực tràn, tính toán thủy văn điều tiết lũ khi tràn sự cố và tràn chính làm việc đồng thời

+ Phương pháp tổng hợp: dựa trên kết quả tính toán xây dựng các quan hệ cột nước tràn và hình dạng kích thước mặt cắt tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất

IV K ết quả đạt được

- Đánh giá tổng quan về an toàn đập khi có tràn sự cố;

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA TẠI

VIỆT NAM

1.1 Th ực trạng an toàn hồ chứa nước tại Việt Nam

1.1.1 Thực trạng hồ chứa nước ở Việt Nam

Việt Nam nằm ở cực đông nam bán đảo Đông Dương với đường bờ biển thuộc đất liền dài 3.260 km, địa hình có nhiều đồi núi, núi ăn lấn ra biển Hệ thống sông dày đặc, Việt Nam có tới 2.360 con sông, kênh lớn nhỏ với tổng chiều dài khoảng 41.900 km Như vậy, có thể nói với hệ thống sông và địa hình tại Việt Nam thuận lợi cho việc xây dựng hồ chứa nước

Hồ chứa nước sớm được xây dựng ở Việt Nam vào những thập niên đầu thế kỷ 20, thời kỳ Pháp thuộc Trước năm 1964 việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, có ít hồ được xây dựng trong giai đoạn này Sau năm 1964, đặc biệt từ khi Việt Nam thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa nước phát triển mạnh Đến tháng 12/2013 theo thống

kê của Tổng cục Thủy lợi, cả nước có 6.886 hồ chứa các loại, trong đó có 6.648 hồ chứa thủy lợi (chiếm 96,5%) và 238 hồ chứa thủy điện (chiếm 3,5%) với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m3nước

Bảng 1.1 Số lượng hồ chứa theo quy mô dung tích Quy mô (106m3) V≥ 10 V=3÷10 V=1÷3 V=0,2÷1 V≤0,2

Số lượng hồ 124 578 363 2.335 3.248

Miền Trung là vùng chịu ảnh hưởng mưa bão nhiều nhất và có nền kinh tế kém phát triển hơn các vùng khác nên được đầu tư xây dựng nhiều hồ chứa Nghê An là tỉnh có nhiều hồ chứa nhất, 752 hồ đập, Thanh Hóa 524 hồ, Hà Tĩnh 335 hồ, Quảng Nam 73

hồ, Bình Định 160 hồ, Bình Thuận 64 hồ

Miền Nam là vùng có địa hình đồi núi thoải, ít phù hợp với điều kiện xây dựng hồ chứa chủ yếu tập trung ở vùng Đông nam bộ Đông Nam bộ và TP Hồ Chí Minh 86

hồ , Đồng bằng sông Cửu Long 12 hồ

Tây nguyên có 1.069 hồ chứa với 1389 triệu m3

Điển hình như Đăk Lăk có 539 hồ, Gia Lai có 98 hồ, Đăk Nông 148 hồ, Lâm Đồng 213 hồ

5

Miền bắc bao gồm Đồng bằng sông Hồng 448 hồ, Trung du miền núi phía bắc 2.169

hồ Điền hình như các tỉnh Sơn La 103 hồ, Điện Biên 11 hồ, Lào Cai 22 hồ, Lạng sơn

271 hồ, Bắc Kạn 32 hồ, Quảng Ninh 142 hồ, Bắc Giang 467 hồ, Vĩnh Phúc 270 hồ, Cao Bằng 25 hồ

Hồ thủy điện Sơn La là hồ thủy điện có dung tích (9,26x109m3) lớn nhất tại Việt Nam tính đến nay Đập chính của hồ chứa là đập bê tông trọng lực cao 138,1m Hồ được khởi công xây dựng từ năm 2005, hoàn thành năm 2012

Do tính chất phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất tại vị trí xây dựng nên sự phân

bố về số lượng hồ chứa tại Việt Nam theo vùng miền cũng ảnh hưởng rõ rệt Thực trạng, là điều kiện về địa hình địa chất ở vùng trung du miền núi, đồng bằng bắc bộ có địa hình đồi núi phù hợp với điều kiện xây dựng hồ chứa, chiếm tỷ lệ % lớn hơn so với đồng bằng nên số lượng hồ chứa được xây dựng tại vùng này lớn hơn so với các vùng khác Đi dần về vùng nam bộ, hình đồi núi giảm dần nên số lượng hồ chứa cũng giảm dần theo

1.1.2 Tình hình các sự cố hồ chứa ở Việt Nam

Biến đổi khí hậu đã và đang tác động trực tiếp đến an toàn hồ chứa Trong những năm qua, các sự cố vỡ đập, vỡ tràn, hư hỏng các công trình trên hồ chứa do lũ vượt thiết kế

đã xảy ra tương đối nhiều ở nước ta

1.1.2.1 Sự cố đập đất

Các sự cố đập đất thường xảy ra như: Lũ tràn qua đỉnh đập, sạt mái thượng hạ lưu, thấm mạnh hoặc sủi nước nền đập, thân đập, vai đập, mang cống lấy nước, nứt ngang đập và nứt dọc nền đập

Hình 1.1 Sạt trượt sâu mái đập

6

Hình 1.2 Vỡ đập dạng vết vỡ hình thang Một số nguyên nhân gây ra sự cố nước tràn đập đất:

- Do tính toán thuỷ văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ; Tổng lưu lượng lũ nhỏ hơn thực tế; Các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; Lập đường cong dung tích hồ W= f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả của đập tràn Q= f(H) sai lệch thực tế;

- Cửa tràn bị kẹt;

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

Sự cố đập đất đã xảy ra ở nước ta:

Sự cố vỡ đập Đồng Đáng và Trung Cối vào ngày 01/10/2013 tại huyện Tĩnh Gia, Thanh Hóa: hồ Đồng Đáng (có tổng dung tích 300.000 m3) đã bị vỡ đập 50m, hồ Thung Cối (có dung tích 200.000 m3) bị vỡ đập 20m Nguyên nhân việc vỡ đập của 2

hồ là do chất lượng của các hồ này đều xây dựng từ thập kỷ 70 – 80 với thiết kế dung tích không còn hợp với thực tế khi khí hậu đang biến đổi phức tạp Tần suất mưa thiết

kế của 2 hồ là 1,0% trong khi lũ thực tế là 0,5%, vượt quá tiêu chuẩn cho phép của hồ

Sự cố vỡ đập phụ hồ chứa nước Đầm Hà Động (Quảng Ninh) Nguyên nhân do mưa lớn xảy ra trong ngày 29/10/2014, một trong ba cửa van của tràn xã lũ bị kẹt đã làm mực nước lòng hồ Đầm Hà Động dâng cao rất nhanh Đến 4 giờ ngày 30/10/2014, nước đã tràn đập Đến 6 giờ 30 cùng ngày, nước đã vượt đỉnh kè chắn sóng 0,35 m và đập phụ số 2 của hồ đã bị vỡ gây lũ cục bộ, ngập lụt một số khu vực huyện Đầm Hà

1.1.2.2 Sự cố ở tràn xả lũ

Các sự cố tràn xả lũ thường xảy ra như: Lũ vượt qua đỉnh tràn, thấm qua nền thân tràn,

tràn bị trôi hoặc gẫy, xói tiêu năng và hạ lưu tràn, gẫy cửa hoặc kẹt cửa, hư hỏng thiết

bị đóng mở cửa van đập tràn

Một số nguyên nhân gây ra sự cố tràn xả lũ:

- Cũng giống như sự cố đập đất, do tính toán thủy văn sai làm lưu lũ về lớn hơn lưu lượng lũ tính toán thiết kế;

- Cửa van bị rỉ sét không được duy tu bảo dưỡng dẫn đến cửa van không vận hành được, bị kẹt;

- Tràn được thiết kế theo tiêu chuẩn cũ không đủ khả năng để xả lũ hiện tại, lũ về vượt tần suất thiết kế;

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

- Vận hành đập tràn sai quy trình

8

1 – Hố xói chân tường bờ bắc 2 – Đáy hố xói bờ bắc

3 – Hố xói ngưỡng và dốc nước 4 – Đáy hố xói ngưỡng và dốc nước

Sự cố tràn xả lũ đã xảy ra ở nước ta:

Đập Hố Hô (Hà Tĩnh) ngày 3 và 4 /10/2010 do bị kẹt cửa van, không mở được cả 3 cửa van xả lũ dẫn đến lũ vượt qua đỉnh đập 1,0m

Ngày 19/07/2015, do mưa liên tục, lượng nước đổ về hồ lớn, nước đã thấm qua thân đập (bị rò rỉ trước đó) dẫn đến phá vỡ tường tràn xả lũ

1.1.2.3 Sự cố ở cống lấy nước

Các sự cố cống lấy nước thường xảy ra như: Thấm qua thân cống, thân cống bị mục,

tấm đáy bị xói tróc, hỏng khớp nối, hỏng sân tiêu năng, cống bị lún, cửa cống không kín nước

1 – Hang ngầm bên phải mang cống 2 – Hang ngầm bên trái mang cống

3 – Quá trình phát triển của hàng ngầm 4 – Đỉnh đập

Hình 1.9 Sự cố thấm, hang ngầm mang cống

Sự cố cống lấy nước đã xảy ra ở nước ta:

Hồ Khe Vàng (Hương Khê, Hà Tĩnh) Sự cố xảy ra vào vụ hè thu năm 2012 Đất đá

10

vùi lấp mặt trước và sau cống lấy Trong khi đó mưa rừng ở thượng nguồn lớn, nước

trong hồ đạt đã 100% cao trình đập đe dọa an toàn đập Nguyên nhân là do trong quá trình thi công sửa chữa cống lấy nước trước đó, nhà thầu đã đắp một quai sanh bao quanh trước miệng cống và đào đất ở mái thượng lưu nhằm phục vụ cho việc sửa chữa Tuy nhiên, sau khi sự cố cống dưới đập được khắc phục thì nhà thầu quên chưa múc hết đất đắp quai sanh và trả lại mặt bằng cho mái thượng lưu Mưa lớn làm số vật liệu thừa này đã bị tuồn vào lấp miệng cống gây ra sự cố cống bị vùi lấp Bên cạnh đó trụ giữa của cầu ra cống lấy nước đã có hiện tượng sụt lún

Hình 1.10 đất đá vùi lấp khiến cống bị

tắc, không thể điều tiết nước Hình 1.11 nước có hiện tượng sụt lún Trụ giữa của cầu ra cống lấy

1.1.2.4 Sự cố thiệt hại hạ lưu hồ chứa khi xả lũ

Trong quá trình thiết kế đánh giá hoặc do quá trình sử dụng tình hình dân sinh phát triển dẫn đến tính toán về thiệt hại hạ lưu khi xả lũ sai

Sự cố thiệt hại hạ lưu hồ chứa khi xả lũ đã xảy ra:

Hồ chứa Hố Hô (Hà Tĩnh) xả lũ với cường độ 500m3

/s - 1.800m3/s trong 2 ngày từ 13 đến 14/10/2016 cùng với mưa lớn khiến người dân huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) và 1

số huyện, xã khác gần đó bị ngập, thiệt hại nặng Tuy nhiên, việc xả lũ của hồ chứa nước Hố Hô được đánh giá là đúng quy trình

Lũ thiết kế là trận lũ theo tính toán có thể xuất hiện tại tuyến xây dựng công trình

tương ứng với tần suất thiết kế công trình Mực nước lớn nhất thiết kế là mực nước cao nhất xuất hiện trong hồ chứa nước khi trên lưu vực xảy ra lũ thiết kế

Lũ vượt thiết kế là lũ mà làm cho mực nước trong hồ chứa lớn hơn mực nước lớn nhất thiết kế, làm cho các công trình trên hồ chứa vận hành không theo như thiết kế ban đầu tính toán, dẫn đến các sự cố công trình

1.2.2 Nguyên nhân và tình hình lũ vượt thiết kế

1.2.2.1 Tình hình lũ vượt thiết kế tại các hồ chứa

Trong thực tế vận hành mực nước trong nhiều hồ chứa nước đã vượt mực nước lũ thiết

kế Theo Bảng tổng hợp thông tin phục vụ chỉ đạo, điều hành hệ thống thủy lợi toàn quốc của Tổng cục Thủy lợi, một số hồ chứa đã có mực nước lũ vượt thiết kế như bảng 1.3

Mực nước

lũ thực tế (m)

Mức độ vượt thiết kế (m)

7 Triệu Thượng 1 - Quảng Trị 15,5 15,83 0,33 011/1/2016

1.2.2.2 Nguyên nhân lũ vượt thiết kế

Từ những sự cố hư hỏng hồ chứa nước do lũ vượt thiết kế trong thực tế, rút ra lũ vượt thiết kế xảy là do các nguyên nhân sau:

a Nguyên nhân khách quan:

1) Lũ đến thực tế với tần suất vượt tần suất thiết kế Yếu tố tác động dẫn đến hiện tượng này có thể là do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, trái đất ngày một nóng lên, băng tan, nước biển dâng, mưa lớn và tần suất mưa ngày càng nhỏ nhơn Từ những nguyên nhân này và nhiều yếu tố khác tác động, tiêu chuẩn lũ thiết kế cho cụm công trình đầu mối hồ chứa cũng được thay đổi như bảng 1.2

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn tính lũ theo các tiêu chuẩn, quy phạm qua các thời kỳ

÷ 0,2 0,1 0,5 0,2 1 0,5 1,5 0,2

4 QCVN

04-05:2012 0,02 0,1 0,1 0,5 0,2 1 0,5 1,5 1 2

Ghi chú: KT – Kiểm tra; TK – Thiết kế

2) Qua thời gian dài sử dụng, công trình đầu mối của hồ chứa xuống cấp, không được duy tu bảo dưỡng thường xuyên dẫn đến các sự cố làm giảm khả năng tháo của tràn xả

lũ hay cỏ mọc, rác vướng, bèo nở làm giảm bề rộng tràn

3) Trong quá trình thu thập tài liệu tính toán, liệt thủy văn còn ít khi tính toán lũ thiết

kế lúc đầu xây dựng hồ chứa Sau nhiều năm sự dụng công trình, tài liệu thủy văn thêm dài, tính lại lũ thiết kế sau khác so với ban đầu

b Nguyên nhân chủ quan:

1) Do hoạt động dân sinh kinh tế của con người làm cho rừng đầu nguồn bị phá hủy, bạt núi, san đồi để thực hiện dự án, lập khu công nghiệp, khai khoáng, làm cho địa hình, tính chất lưu vực hồ chứa thay đổi dẫn đến nước trong lưu vực tập trung về hồ chứa nhanh với lưu lượng lớn hơn, vẫn với tần suất ấy mà đỉnh lũ, tổng lượng lũ đã vượt thiết kế ban đầu

2) Do năng lực của người tư vấn thiết kế khi tính toán toán thủy văn không đúng phương pháp hay chưa tính toán hết các trường hợp có thể xảy ra trong thực tế dẫn đến

lũ về lớn hơn lũ thiết kế

3) Quá trình vận hành sử dụng không đúng quy trình Dự báo lũ không chính xác, xung đột về lợi ích sử dụng nước, trình độ hay kỷ luật của người vận hành dẫn đến vận hành hồ chứa sai quy trình

4) Công tác duy tu bỏa dưỡng, dọn vệ sinh: rác , bèo, làm lưới ngăn cá đi,… không được thực hiện thường xuyên làm công trình xuống cấp hư hỏng, vận hành không đạt yêu cầu như đã thiết kế

14

Với những nguyên nhân trên cho thấy mực nước trong hồ vượt mức lũ thiết kế là luôn

có thể xảy ra bất cứ lúc nào vào mùa lũ, ở bất kỳ hồ chứa nào

1.2.3 Một số giải pháp đảm bảo an toàn hồ chứa nước đối với lũ vượt thiết kế

1.2.3.1 Giải pháp phi công trình

1) Nâng cao nhận thức, tăng hiểu biết cho người quản lý hồ chứa để vận hành hồ chứa theo đúng quy trình, kỹ thuật không để xảy ra hiện tưởng mực nước trong hồ vượt mực nước lũ thiết kế khi tần suất lũ chưa vượt tần suất lũ thiết kế

2) Hoàn thiện hệ thống pháp lý, các luật định, tiêu chuẩn, quy chuẩn về quản lý, đầu tư xây dựng hồ chứa nước nhằm xác định mực nước thiết kế trên hồ chứa chính xác, phù

hợp với điều kiện tự nhiên và hiện trạng

3) Nâng cao chất lượng công tác tư vấn thiết kế đảm bảo tính toán đúng phương pháp

và chính xác các trường hợp lũ, bên cạnh đó công nghệ thi công xây dựng hồ đập phải đảm bảo chất lượng tốt

4) Thường xuyên kiểm tra, duy tu, bảo dưỡng các công trình đập, tràn, cống, giảm tối đa các sự cố công trình làm ảnh hưởng tới quá trình vận hành của hồ chứa khi lũ

15

Hình 1.15 Nâng cao chiều cao đập đất hồ chứa nước Đại Sơn, tỉnh Bình Định 2) Mở rộng cửa tràn xả lũ, hạ thấp cao trình ngưỡng nhằm đảm bảo khả năng thoát lũ kịp thời khi lũ vượt thiết kế xảy ra

Hình 1.17 Mở rộng, hạ cao độ ngưỡng tràn xả lũ hồ chứa nước Bà Tùy, tỉnh Nghệ An 3) Xây dựng thêm tràn phụ nhằm hỗ trợ tràn chính trong quá tình xả lũ Tràn phụ có thể xả lũ cùng lúc như tràn chính hoặc chỉ xả lũ khi lũ về vượt mức thiết kế Quy mô tràn phụ thường nhỏ hơn tràn chính

16

1.2.4 Một số yêu cầu của công trình tháo lũ vượt thiết kế

Do công trình tháo lũ vượt thiết kế thời gian dài mới sử dụng một lần và là phương án nhằm giảm quy mô tràn chính nên công trình tháo lũ vượt thiết kế thường phải:

- Kết cấu không phức tạp

- Mở cửa kịp thời khi mực nước hồ có nguy cơ vượt quá mực nước lũ kiểm tra để tháo nước lũ khẩn cấp nhằm đảm bảo an toàn đập chắn

- Tháo nước tự động, hoặc dễ dàng vận hành

- Không gây ra sóng đe dọa an toàn đập chắn, đảm bảo an toàn cho hạ du

- Chi phí đầu tư và chi phí vận hành thấp nhất có thể

- Có thể phải chấp nhận bản thân công trình tháo lũ vượt quá thiết kế bị hư hỏng một phần mỗi khi hoạt động

Tràn sự cố là công trình tháo lũ khẩn cấp khi tính toán với lũ vượt tiêu chuẩn thiết kế hoặc khi mực nước lũ tính toán trong hồ vượt mực nước lũ thiết kế do nhiều nguyên nhân khác nhau nhằm đảm bảo an toàn, tránh sự cố cho hồ chứa, cũng như các công trình trong cụm đầu mối công trình thủy lợi, thủy điện

17

1.3.2 Tiêu chuẩn lũ tính toán tràn sự cố

1.3.2 1 Tần suất lũ tính toán tràn sự cố

Bảng 1.4 Tần suất lũ tính toán tràn sự cố của một số hồ đã xây dựng

TT Tên Hồ chứa Tần suất lũ thiết kế

hồ chứa

Tuần suất lũ tính toán tràn sự cố

9 Phú Ninh – Quảng Nam Ptk=0,1%, Pkt=0,02% PMF

Qua một số hồ chứa đã xây dựng, tần suất lũ tính toán tràn sự cố có thể tính toán với lũ lịch sử, tần suất lũ kiểm tra, tần suất lũ cực hạn hoặc lớn hơn 1 cấp so với cụm công trình đầu mối hồ chứa

Hiện nay, chưa có tiêu chuẩn, quy chuẩn nào quy định về lựa chọn tần suất lũ tính toán tràn sự cố Theo điều kiện thực tế tràn sự cố thiết kế phải đảm bảo cho hồ chứa nước được an toàn về kỹ thuật trong bất kỳ tình huống nào, thỏa mãn yêu cầu kinh tế, phù hợp với điều kiện thực tế hiện trạng của hồ chứa

Theo điều kiện thực tế các hồ chứa đã xây dựng, tiêu chuẩn lũ tính toán tràn sự cố có thể được lựa chọn theo các phương án trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Tần suất tính toán thiết kế tràn sự cố ở đầu mối hồ chứa nước [1]

Về mặt lý luận: Khi tính toán thiết kế đã kiểm tra khả năng tháo, đảm bảo an toàn các công trình với cả mực nước lũ kiểm tra (MNLKT) Do đó có thể chọn MNLKC = MNLKT Nhưng tần suất lũ kiểm tra theo quy định có khác nhau giữa các quy phạm ứng với các giai đoạn phát triển khác nhau của kinh tế xã hội và sự tiến bộ của khoa

học công nghệ, giữa các công trình trong các thời kỳ xây dựng khác nhau Thực tế

chọn MNLKC rất đa dạng, đa phần lấy yêu cầu an toàn của cụm đầu mối là chính

Ở Trung Quốc ngoài MNLTK, MNLKT còn có mực nước lũ bảo vệ hồ chứa (MNLBV) Có nước chọn MNLKC là MNLTK, có nước chọn MNLKC trong khoảng

từ MNLTK đến MNLKT Ở Việt Nam nếu theo lý thuyết cũng có thể chọn MNLKC trong khoảng NMLTK đến MNLKT Chọn MNLKC tới MNLKT, nếu trong tính toán thiết kế đã đề cập đến lũ kiểm tra Chọn MNLKC là MNLTK, nếu trong tính toán thiết

kế chưa đề cập đến lũ kiểm tra

Bởi tính "đa dạng" trong quá trình xây dựng hồ chứa ở Việt Nam, lại đặt vấn đề an toàn lên trên hết, nên tùy theo mức độ an toàn thực tế của hồ và của hạ lưu, chúng ta

chọn cao trình MNLKC thấp hơn MNLKT một mức tương ứng h:

MNLKC = MNLKT – h (1.1) Với h chọn từ 0 đến gần bằng hiệu số (MNLKT – MNDBT) Nếu công trình mới xây dựng hoặc ngay từ thiết kế ban đầu đã có tràn sự cố, mức độ an toàn cao, có dự báo lũ tốt thì chọn h có giá trị nhỏ (có thể tới h = 0) Nếu công trình đã xây dựng lâu, an toàn

1.3.3 Các chỉ tiêu về yêu cầu thiết kế tràn sự cố

Chỉ làm việc khi mực nước trong hồ vượt mực nước thiết kế Mực nước lũ vượt thiết

kế là do lũ đến vượt tần suất thiết kế; do sự cố cửa van; do hẹp đường tràn qua nước;

do dự báo không chính xác dẫn đến vận hành hồ chứa không phù hợp

Vận hành chính xác, nhanh chóng, thuận lợi và đảm bảo an toàn cho các công trình khác

Đảm bảo tính mỹ thuật và giao thông chung của cả cụm công trình đầu mối hồ chứa Thiệt hại cho hạ lưu là ít nhất khi xả lũ

Phục hồi (nếu có) sau khi xả lũ vượt thiết kế thì đơn giản

Chi phí đầu tư thấp, chi phí quản lý nhỏ

1.3.4 V ai trò của tràn sự cố trong đầu mối hồ chứa nước

Qua những tình hình và nguyên nhân như đã nói ở mục 1.2.2, cho thấy khả năng mực

nước trong hồ vượt mức nước lũ thiết kế là luôn có thể xảy ra bất cứ lúc nào vào mùa

lũ, ở bất kỳ hồ chứa nước nào

Trong đầu mối công trình hồ chứa, tràn sự cố có những vai trò sau:

1) Xả lũ một phần cho tràn chính khi mực nước trong hồ vượt mực nước lũ khống chế; 2) Ngắt phần trên của đỉnh lũ thiết kế (khi lũ đến gần hoặc bằng lũ thiết kế) góp phần giảm quy mô tràn chính hoặc tăng hiệu quả của tràn chính;

3) Giảm chi phí xây dựng so với phương án xây dựng mở rộng tràn chính;

4) Phục hồi tràn sự cố làm việc bình thường đơn giản, không tốn kém

20

1.4 Hình th ức kết cầu các loại tràn sự cố

Hiện nay, đã có rất nhiều kết quả nghiên cứu về tràn sự cố Dưới đây, tác giả tập hợp một số loại tràn sự cố thông dụng trong thực tế

1.4.1 Tràn sự cố kiểu có cửa van

Tràn sự cố kiểu có cửa van thường có quy mô, cấu tạo giống với tràn chính Cửa van thường được dùng là cửa van cung, cửa van hình quạt, cửa van túi,…

mndbt

Hình 1.18 Tràn sự cố ngưỡng thực dụng, cửa van cung Loại tràn này có đặc điểm kết cấu giống như một tràn chính có cửa van thông thường nên nguyên lý hoạt động cũng giống như các loại tràn có cửa van khác Nó được sử dụng xả lũ vượt tiêu chuẩn thiết kế, xả lũ bổ sung, xả lũ khi tràn chính có sự cố

1.4 2 Tràn sự cố kiểu có cửa van tự động

Trên ngưỡng tràn được bố trí cửa van tự động Cửa van tự động thường là tấm phẳng quay xung quanh một trục Trục quay của cửa van tự động có thể bố trí thẳng đứng hoặc nằm ngang (ở trên, ở giữa hoặc ở ngưỡng) Vật liệu cửa van tự động trong trường hợp này thường là kim loại, gỗ hay phối hợp

Hình 1.19 Tràn sự cố kiểu cửa van tự động

21

Khi mực nước thượng lưu chưa đạt tới mực nước lũ khống chế, tổng mô men giữ cửa van đóng (Mđ) lớn hơn tổng mô men mở cửa van (Mm) lấy với trục quay và khi đó cửa van đóng Khi mực nước thượng lưu đạt tới hoặc vượt MNLKC thì Mm > Mđ thì cửa van tự động mở, nước lũ được tháo xả khẩn cấp

22

Hình 1.21 Ngưỡng tràn dích dắc Dòng chảy qua đập tràn labyrinth có những đặc điểm khác biệt so với dòng chảy qua đập tràn đỉnh thẳng Với tràn đỉnh thẳng tất cả các đường dòng vuông góc với đỉnh tràn và là dòng chảy 2 chiều Với tràn labyrinth được đặt không vuông góc với dòng

chảy, các đường dòng là 3 chiều (hình 1.23)

Đặc điểm của đập tràn labyrinth có dạng phẳng, tuyến tràn không thẳng nhưng sự thay đổi có tính chu kỳ theo dạng tam giác hoặc hình thang

Chính những hình dạng này tạo sự phức tạp cho chế độ thủy lực Lưu lượng tháo qua đập tràn labyrinth tăng tuyến tính với việc tăng chiều dài tràn khi cột nước thấp Ở

thượng lưu, khi cột nước tăng, kiểu dòng chảy tháo qua đập tràn biến thiên theo 4 giai đoạn cơ bản sau: Không áp, bán áp, chuyển tiếp, có áp

1.4 5 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ

Trên ngưỡng tràn (có thể được gia cố hoặc không gia cố) có bố trí một đập đất tạm gọi

là đập đất tự vỡ Đỉnh đập đất tự vỡ không cao hơn cao trình mực nước lũ khống chế (MNLKC) ở thượng lưu

Với đập đất trên ngưỡng tràn có quy mô lớn (cao hơn 5m) thì đập đất bao gồm 2 khối: Khối thượng lưu và khối hạ lưu Khối thượng lưu đảm bảo điểu điện chống thấm, ổn định khi chưa có lũ vượt thiết kế, thường được đắp bằng đất sét thông thường như loại

23

đập đất thông thường Khối hạ lưu cũng đảm bảo điều kiện ổn định khi chưa có lũ vượt thiết kế, nhưng khi có lũ vượt thiết kế, nước tràn qua đỉnh đập thì phần hạ lưu phải xói dần và gây vỡ cho cả đập đất, vì thế phần hạ lưu thường được đắp bằng đất cát Thường là lăng trụ cát

Hình 1.23 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ (thấp hơn 5m) Nước tràn qua đỉnh đập, gây xói mái hạ lưu Xói diễn ra từng bước dẫn đến thân đập đất trên ngưỡng tràn vỡ hoàn toàn và tràn sự cố làm việc với khả năng tháo lớn nhất

1.4 6 Tràn sự cố kiểu đập đất gây vỡ bằng năng lượng thuốc nổ

Đặc điểm kết cấu tràn sự cố kiểu đập đất gây vỡ bằng năng lượng thuốc nổ về cơ bản

giống như các đập đất khác Điều khác là trong thân đập bố trí hệ thống lỗ mìn hoặc

buồng mìn để khi cần thiết nạp thuốc nổ, kích nổ theo phương pháp hiện đại gây vỡ đập Thuốc nổ có thể được nạp vào lỗ mìn từ trên mặt đập hoặc đi theo đường riêng vào mái hạ lưu, đặt thuốc nổ trong các buồng mìn ở thân đập

24

Hình 1.24 Tràn sự cố kiểu vỡ đập đất bằng năng lượng thuốc nổ

Tràn sự cố kiểu đập đất gây vỡ bằng năng lượng thuốc nổ hoạt động trên nguyên tắc

sử dụng năng lượng thuốc nổ bằng các phương pháp nổ mìn hiện đại gây vỡ đập tạm trên ngưỡng tràn

1.4 7 Tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm

Trên ngưỡng có bố trí một đập tạm bằng vật liệu địa phương, thường là đập đất Phần

hạ lưu của đỉnh đập có tường chắn tạo bể chứa nước gia tải Ở đáy đập có lớp kẹp cát

tạo mặt trượt Trên đỉnh có bố trí các ống xiphông ăn thông với bể chứa nước gia tải

Ở chân tường chắn phía hạ lưu của bể gia tải có bố trí lỗ thoát nước mưa

1.4.8 Tràn sự cố kiểu dẫn xói gây vỡ đập đất

Loại tràn này trên ngưỡng có bố trí một đập đất tạm thời bằng vật liệu địa phương Phần hạ lưu được làm bằng vật liệu dễ gây xói trôi (thường là khối cát), phía trên giáp đỉnh đập có bố trí các xi phông Miệng cửa vào xi phông đặt ngang với mực nước lũ khống chế

Hình 1.25 Tràn sự cố kiểu dẫn xói gây vỡ đập đất Khi mực nước thượng lưu vượt mực nước lũ khống chế, nước chảy qua các ống chảy

xuống nhờ đó mà tháo được lũ khẩn cấp Sau mỗi lần hoạt động cần khôi phục lại khối

cầu chì này

1.5 V ấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu

Với các dạng kết cấu tràn sự cố đã nêu ở mục 1.4, nhiều kiểu tràn đã được nghiên cứu

và ứng dụng vào thực tế ở nước ta Hiện tại, các trán sự cố đã xây dựng hoạt động đúng chức năng, nhiệm vụ đảm bảo an toàn cho hồ chứa Đập dâng ở các hồ chứa chủ yếu là đập đất, địa hình ở các hồ chứa chủ yếu là đối núi, yên ngựa phù hợp với điều kiện xây dựng đập tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm Bên cạnh đó đập tràn sự cố loại này trong đầu mối hồ chứa nước chưa được nghiên cứu nhiều, chưa

áp dụng vào thực tế ở nước ta Trong luận văn này tác giả đề xuất nghiên cứu giải pháp tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho đầu mối hồ chứa nước dựa trên những nghiên cứu đã nếu ở mục 1.4.7 Trong đó, cần chú trọng các vấn đề:

26

1) Nguyên lý làm việc, tự vỡ của đập đất tạm trên tràn khi mực nước lũ trong hồ chứa vượt mức khống chế, tập trung giải quyết những bài toán sau Bài toán 1: tìm hệ số mái hạ lưu mh đảm bảo đập đất tạm không vỡ khi chưa cần vỡ, Bài toán 2: xác định kích thước bể gia tải, Bài toán 3: Tìm số lượng và đường kính ống thoát nước mưa, Bài toán 4: Xác định kích thước và số lượng ống Xi phông dẫn nước gia tải;

2) Khả năng tháo của tràn sự cố, điều tiết lũ kết hợp giữa tràn sự cố và tràn chính;

3) Quy trình vận hành, bảo dưỡng tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm;

4) Khả năng phục hồi sau lũ

1.6 K ết luận chương 1

1) Qua thực trạng hồ chứa nước ở nước ta, nhận thấy sự cố xảy ra đối với hồ chứa nước mà nguyên nhân do lũ vượt thiết kế ngày càng nhiều Chủ yếu là trên các hồ chứa đã xây dựng nhiều năm, xuống cấp, thiết kế theo tiêu chuẩn cũ không phù hợp với điều kiện thời tiết hiện tại

2) Lũ vượt thiết kế xuất hiện trên nhiều hồ chứa trong những năm gần đây với nhiều nguyên nhân khác nhau Xây dựng tràn sự cố là một trong những giải pháp an toàn cho

hồ chứa nước khi xảy ra lũ vượt thiết kế

3) Tràn sự cố là một trong những biện pháp công trình chủ động nhằm đảm bảo an toàn cho hồ chứa, tránh mọi khả năng làm mất an toàn đập tràn, cống, nhà máy thủy điện,… trong cụm công trình đầu mối và tránh thiệt hại cho hạ lưu Giải pháp đầu tư xây dựng tràn sự cố mang lại kinh tế hơn so với đầu tư xây dựng nâng cấp tràn chính

4) Hiện nay, đã có nhiều kết quả nghiên cứu về tràn sự cố và được ứng dụng trên nhiều

hồ chứa ở nước ta Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm Tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm hiện nay chưa được nghiên cứu và áp dụng vào thực tế nhiều Đây sẽ là cơ sở lý thuyết để

áp dụng thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho các công trình hồ chưa hiện nay

27

C HƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRÀN SỰ CỐ KIỂU GIA TẢI BẰNG NƯỚC GÂY VỠ ĐẬP ĐẤT TẠM

2.1 Gi ới thiệu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm

Tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm là kiểu tràn mà trên ngưỡng có

bố trí một đập đập đất tạm, cao trình đỉnh đập đất tạm thường lớn hơn mực nước lũ khống chế Phần hạ lưu của đỉnh đập có tường chắn tạo bể chứa nước gia tải Ở đáy đập hạ lưu có lớp kẹp cát tạo mặt trượt Trên đỉnh có bố trí các ống xiphông ăn thông với bể chứa nước gia tải, cao độ miệng ống xi phông thường nhỏ hơn mực nước lũ không chế Ở chân tường chắn phía hạ lưu của bể gia tải có bố trí lỗ thoát nước mưa để thoát nước mưa đọng lại trong bể gia tải, tránh hiện tượng đập vỡ khi chưa cần thiết

Hình 2.1 Cấu tạo tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất

Khi mực nước thượng lưu vượt miệng ống xi phông chảy vào bể gia tải Nước trong bể gia tải dâng tới một độ cao nào đó sẽ gây mất ổn định mái hạ lưu từ đó gây vỡ đập

2.2 Sơ đồ bố trí tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm

Trong tổng thể đầu mối hồ chứa có đập chính, cống lấy nước, tràn xả lũ thì cần tìm địa hình vùng nào để bố trí tràn sự cố mà khi vỡ đập đất tạm thì ngưỡng tràn còn lại không thấp hơn mực nước dâng bình thường

Chia tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất thành 2 phần: phần tràn và phần đập đất tạm Để chọn vị trí tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm phù hợp thì phải thỏa mãn cả 2 phần đó (tràn, đập đất tạm)

Đập đất tạm thường bố trí ở địa hình yên ngựa, địa hình cao so với lòng hồ để giảm khối lượng đắp đập, địa chất nền đập có khả năng chống thấm tốt, đảm bảo điều kiện

ổn định cho đập

28

Tràn nên đặt trực tiếp trên nền thiên nhiên ổn định, đảm bảo điều kiện địa hình không quá cao, quá thấp hay quá hẹp, quá rộng để đảm bảo điều kiện giảm tối thiểu khối lượng thì công và tháo nước đạt yêu cầu theo thiết kế

Như vậy, để đảm bảo thuận lợi cho cả phần tràn và phần đập đất thì Tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập tạm đất thường bố trí ở yên ngựa, hay tại đập phụ, hoặc sườn đồi gần khu đầu mối Trong thực tế người ta còn ủi cả sườn đồi rộng lớn để làm tràn sự cố

1) Mực nước trong hồ chứa tăng từ mực nước lũ thiết kế lên mực nước lũ vượt thiết kế

29

dùng để thiết kế tràn sự cố Nước ở hồ chứa chảy qua xi phông vào bể gia tải

Hình 2.5 Mực nước trong hồ chứa tăng, nước bắt đầu vào bể gia tải

2) Mực nước trong bể gia tải đạt đến mực nước thiết kế, cung trượt trong đập đất tạm xuất hiện

Hình 2.6 Giả thiết cung trượt xuất hiện trong đập đất 3) Hư hỏng xuất phát từ cung trượt làm mái hạ lưu sạt lở từ đó gây vỡ đập đất tạm

Hình 2.7 Đập đất tạm vỡ mái hạ lưu 4) Khi đập đất tạm bị vỡ và các vật liệu làm đập bị nước cuốn trôi về hạ lưu, thì tràn sự

cố làm việc xả nước lũ trong hồ chứa

30

Hình 2.8 Nước lũ xả qua ngưỡng tràn sự cố

2.4 Xây d ựng mặt cắt tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm

2.4 1 Chọn mực nước lũ khống chế cho tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm

Như mục 1.3.3.2 đã nói, mực nước lũ khống chế tính theo công thức sau:

MNLKC = MNLKT – h Với h phụ thuộc vào hiện trạng an toàn của hồ chứa Không phụ thuộc vào hình thức loại tràn sự cố Nếu công trình mới xây dựng hoặc ngay từ thiết kế ban đầu đã có tràn

sự cố, mức độ an toàn cao, có dự báo lũ tốt thì chọn h có giá trị nhỏ (có thể tới h = 0) Nếu công trình đã xây dựng lâu, an toàn thực tế giảm hoặc công trình có quy mô lớn hoặc công trình có dự báo lũ với độ chính xác chưa cao thì chọn h lớn

2.4.2 X ây dựng mặt cắt cơ bản

Như trên đã nói, ta chia tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất làm 2 phần chính là phần đập tràn và phần đập đất tạm Nên ta xây dựng mặt cắt cơ bản cho 2 thành phần này

2.4.2.1 Xây dựng mặt cắt đập tràn

a Hình thức ngưỡng tràn:

Về cơ bản, đập tràn có 3 loại là: Đập tràn thành mỏng, đập tràn mặt cắt thực dụng, đập tràn đỉnh rộng Tùy thuộc vào địa hình, địa chất xây dựng và yêu cầu xả lũ để lựa chọn hình thức ngưỡng tràn hợp lý

Để đảm bảo mặt bằng giảm diện tích xây dựng công trình, người ta thường xây dựng đập đất tạm trên ngưỡng đập tràn luôn Như vậy, ngưỡng tràn thường có kết cấu bằng

Đập tràn đỉnh rộng có chiều dài Ltr nằm trong khoảng: (2÷3)H < L < (8÷10)Htr [3]

Hình 2.9 Cắt dọc ngưỡng tràn đỉnh rộng gia cố đầu ngưỡng

Hình 2.10 Cắt dọc ngưỡng tràn đỉnh rộng gia cố toàn ngưỡng Đập tràn đỉnh rộng là đập tràn có đỉnh nằm ngang với L > 2÷3 Htr ( ) (hình 2.9 và hình 2.10) Trong thực tế, trị số Ltr của đỉnh nằm ngang thường được lấy trong giới hạn

Ztsc ≤ MNLKC = MNLKT – h (2.1) Với h chọn theo hướng dẫn ở (1.3.2.2)

32

c Chiều rộng ngưỡng tràn sự cố (B):

Khi đã có tài liệu lũ ứng với tần suất lũ tính toán tràn sự cố, trên cơ sở chọn cao trình ngưỡng tràn và MNLKC sẽ xác định được chiều rộng tràn sự cố Có thể có những bài toán sau [1]:

Bài toán 1: Xác định chiều rộng tràn sự cố ngay từ thiết kế ban đầu cùng tràn chính xả

lũ vượt thiết kế (là một trong số lũ kiểm tra, lũ lịch sử, lũ với P% sự cố, lũ PMF) Giả thiết chiều rộng nước qua tràn sự cố (Bsc), tính toán điều tiết lũ với sự kết hợp tràn chính và tràn sự cố Từ đó có được mực nước lũ trong hồ tương ứng với Bsc tràn sự cố giả thiết Lập quan hệ giữa Bsc với MNL; ứng với MNL bằng MNLKC ta có chiều rộng tràn nước sự cố (Bsc) cần tìm

Bài toán 2: Xác định chiều rộng tràn sự cố ngay từ thiết kế ban đầu cùng tràn chính xả

lũ thiết kế, nhưng tràn chính có cửa van bị sự cố

Cách giải bài toán này như đối với bài toán 1, với chú ý chiều rộng tràn nước ở tràn chính thực tế để tính toán là tổng chiều rộng của các cửa tràn hoạt động bình thường (có trừ đi chiều rộng các cửa được giả thiết bị hư hỏng hoặc bị sự cố)

Bài toán 3: Xác định chiều rộng tràn sự cố, khi tràn chính đã xây dựng để cả hai tràn cùng xả lũ vượt thiết kế (lũ kiểm tra, lũ lịch sử, lũ với P% sự cố, lũ PMF)

Về nguyên tắc tính toán cũng như bài toán 1 Sự khác nhau chỉ ở chỗ chọn tràn sự cố

với nhiệm vụ như thế nào cho phù hợp và chiều rộng tràn nước của tràn chính đã biết

Bài toán 4: Xác định chiều rộng tràn sự cố, khi tràn chính đã xây dựng có cửa van bị

sự cố, ứng với lũ thiết kế

Cách giải các bài toán có dạng bài toán 4 như đối với bài toán 2 kết hợp với bài toán 3 Đối với một công trình cụ thể, bề rộng tràn sự cố được chọn là giá trị lớn nhất trong kết quả của các bài toán trên tương ứng

Bài toán 5: Bài toán kiểm tra, với tràn sự cố, tràn chính đã có; với một con lũ nào đó hoặc với một sự cố nào đó của tràn chính, cần xác định mực nước lũ trong hồ từ đó kết