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

Thông thường, khi thiết kế cần đề xuất một số phương án và khi lựa chọn phương án hợp lý phải thông qua phân tích kinh tế - kỹ thuật, trong đó có việc lựa chọn sơ đồ dẫn dòng, chủng loại

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

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: 9 58 02 02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 PGS.TS NGUYỄN QUANG CƯỜNG

2 PGS.TS LÊ VĂN HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tác giả Các kết quả nghiên cứu

và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Nguồn tài liệu tham khảo được trích dẫn theo đúng quy định

Tác giả luận án

Mai Lâm Tuấn

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian thực hiện luận án, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, luận án tiến sĩ “Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện ở Việt Nam” được hoàn thành

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Quang Cường; PGS.TS Lê Văn Hùng đã dành nhiều công sức giúp đỡ và tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án

Tác giả trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và cán bộ của Trường Đại học Thủy Lợi, đặc biệt là Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, Khoa Công trình, Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, các nhà khoa học từ các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Thủy Lợi có nhiều đóng góp quý báu và đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẪN DÒNG THI CÔNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN 6

1.1 Tầm quan trọng của công tác dẫn dòng thi công 6

1.2 Lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng và tính toán thủy lực dẫn dòng 8

1.2.1 Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công 8

1.2.2 Thời đoạn dẫn dòng thi công 10

1.2.3 Tính toán thủy lực dẫn dòng 11

1.3 Dẫn dòng thi công qua cống, đường hầm 12

1.3.1 Dẫn dòng thi công qua cống 13

1.3.2 Dẫn dòng thi công qua đường hầm 15

1.4 Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng 17

1.4.1 Dẫn dòng thi công qua đập đá đổ đang xây dựng 17

1.4.2 Dẫn dòng thi công qua đập bê tông đang xây dựng 23

1.4.3 Dẫn dòng thi công qua đập đất đang xây dựng 24

1.4.4 Dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng và cống, đường hầm 25

1.5 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN LƯU LƯỢNG THIẾT KẾ DẪN DÒNG THI CÔNG VÀ TÍNH TOÁN THỦY LỰC DẪN DÒNG 30

2.1 Phân tích lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công 30

2.1.1 Cơ sở lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công 30

2.1.2 Cơ sở khoa học để nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng 31

2.2 Xác định thời đoạn dẫn dòng thi công 34

2.2.1 Nhân tố ảnh hưởng đến việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công 34

2.2.2 Điều kiện khí hậu và dòng chảy các vùng của Việt Nam 35

2.3 Cơ sở lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng 38

2.3.1 Dẫn dòng qua công trình độc lập 38

2.3.2 Dẫn dòng đồng thời qua cống và đập đang xây dựng 41

2.4 Cơ sở lý thuyết tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và điều tiết lũ 42

2.4.1 Tính toán thủy lực qua đập đang xây dựng 42

2.4.2 Tính toán thủy lực dẫn dòng qua cống 45

2.4.3 Tính toán thủy lực dẫn dòng đồng thời qua hai hoặc nhiều công trình dẫn dòng 48

2.4.4 Điều tiết lũ trong dẫn dòng thi công 49

2.4.5 Giới thiệu phần mềm Flow-3D 50

2.5 Tính toán lưu tốc lớn nhất khi dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng 50

2.6 Kết luận chương 2 53

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỢP LÝ QUY MÔ CÔNG TRÌNH DẪN DÒNG THI CÔNG 54

3.1 Nghiên cứu lựa chọn tần suất lưu lượng và thời đoạn thiết kế dẫn dòng 54

3.1.1 Chọn tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng theo tiêu chuẩn các quốc gia 54

3.1.2 Lựa chọn thời đoạn dẫn dòng trong điều kiện khí hậu Việt Nam 57

3.1.3 Xác định lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công 60

3.2 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công và điều tiết lũ 61

3.2.1 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công qua cống 61

3.2.2 Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng và cống 66

3.2.3 Lập chương trình tính toán điều tiết lũ 67

3.2.4 Kiểm định chương trình tính toán thủy lực 71

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công trình đến lưu tốc lớn nhất khi dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng 72

3.3.1 Xác định lưu tốc trên bề mặt đập đá đổ đang xây dựng khi dẫn dòng 72

3.3.2 Kiểm định chương trình tính lưu tốc lớn nhất trên bề mặt đập đá đổ đang xây dựng khi dẫn dòng 1

3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hệ số mái dốc của dốc nước đến lưu tốc lớn nhất

3

3.3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài dốc nước đến lưu tốc lớn nhất 4

3.3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của chênh lệch độ cao cuối dốc nước so với mực nước hạ lưu đến lưu tốc lớn nhất 5

3.3.6 Nhận xét chung 6

3.3.7 Sử dụng kết quả nghiên cứu 8

3.4 Kết luận chương 3 9

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO MỘT SỐ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở VIỆT NAM 11

4.1 Phân tích việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng 11

4.1.1 Giới thiệu công trình 11

4.1.2 Sử dụng công trình chính để dẫn dòng thi công 16

4.1.3 Sử dụng công trình chính tham gia dẫn dòng 17

4.1.4 Đề xuất chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công 18

4.2 Lựa chọn thông số dẫn dòng qua đập xây dựng dở cho công trình hồ chứa nước Cửa Đạt 19

4.2.1 Số liệu đầu vào 19

4.2.2 Gia cố bề mặt đập khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng 21

4.2.3 Tính cường độ thi công và chi phí gia cố 23

4.2.4 Kết quả tính toán 25

4.2.5 Phân tích lựa chọn thông số dẫn dòng 28

4.2.6 Kiểm chứng bằng phương pháp số tính thủy lực 31

4.3 Kết luận chương 4 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công trình thủy điện Sơn La - Mặt cắt dọc cống dẫn dòng 14

Hình 1.2 Công trình thủy điện Tuyên Quang - Mặt cắt ngang cống dẫn dòng thi công 14

Hình 1.3 Công trình thủy điện Bình Điền - Mặt cắt dọc cống dẫn dòng thi công 15

Hình 1.4 Công trình Cửa Đạt - Đường hầm dẫn dòng TN2 16

Hình 1.5 Công trình thủy điện Huội Quảng - Mặt cắt dọc hầm dẫn dòng thi công 16

Hình 1.6 Hồ chứa Mao Gia Thôn - Bố trí kết hợp đường hầm dẫn dòng, đường hầm tháo lũ và đường hầm tháo nước 17

Hình 1.7 Công trình Toktogunskia - Tháo lũ tràn qua đê quai giai đoạn 1 18

Hình 1.8 Công trình Ust-Khantaiska - Sơ đồ dẫn dòng tràn qua đê quai giai đoạn 1 và hố móng; tràn qua đập đá đổ đang xây dựng 19

Hình 1.9 Công trình Braunla - Mặt cắt ngang đập 20

Hình 1.10 Đập Ord - Dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng và phương án gia cố 20

Hình 1.11 Công trình thủy điện Tuyên Quang - Đê quai thượng lưu được phủ bê tông cốt thép để cho lũ tràn qua trong quá trình thi công 21

Hình 1.12 Công trình thủy điện Hòa Bình - Mặt cắt đập ở vùng kênh thi công trong giai đoạn tháo lũ 1986 22

Hình 1.13 Công trình Cửa Đạt - Dẫn dòng qua đập đang xây dựng năm 2007 22

Hình 1.14 Công trình thủy điện Sơn La - Dẫn dòng qua cống và đập đang xây dựng mùa lũ 2009 23

Hình 1.15 Công trình Sê San 4 - Chuẩn bị tháo lũ qua đập đang xây dựng 5/2007 24

Hình 1.16 Gia cố đập đất khi cho nước tràn qua 24

Hình 2.1 Tương quan chi phí với kích thước công trình dẫn dòng 39

Hình 2.2 Các thông số thủy lực của đập tràn 43

Hình 2.3 Đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập và chảy ngập 44

Hình 2.4 Đường quan hệ lưu lượng với mực nước thượng lưu của cống 45

Hình 2.5 Sơ đồ các chế độ chảy qua cống 46

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán thủy lực dẫn dòng qua kênh 47

Hình 2.7 Sơ đồ thủy lực cống chảy có áp 48

Hình 2.8 Biến thiên năng lượng dòng chảy ổn định khi viết phương trình Bernoulli 51 Hình 2.9 Sơ đồ tính toán thủy lực qua đập đá đổ đang xây dựng 52

Hình 3.1 Đường quá trình mực nước thượng lưu và chiều cao đập khi dẫn dòng 59

Hình 3.2 Đắp đập chính theo mặt cắt kinh tế 59

Hình 3.3 Tương quan Q~H khi chuyển tiếp chảy ngập sang chảy không ngập 61

Hình 3.4 Tương quan Q~H0 khi chuyển tiếp chảy không áp sang chảy có áp 62

Hình 3.5 Sơ đồ khối tính thủy lực dẫn dòng qua cống 65

Hình 3.6 Sơ đồ khối tính thủy lực dẫn dòng qua đập đang xây dựng và cống 68

Hình 3.8 Đường mặt nước và diễn biến lưu tốc trên bề mặt đập đá đổ đang xây dựng

khi dẫn dòng 73

Hình 3.9 Kiểm định chương trình tính lưu tốc trên dốc nước - TH1 1

Hình 3.10 Kiểm định chương trình tính lưu tốc trên dốc nước - TH2 2

Hình 3.11 Kiểm định chương trình tính lưu tốc trên dốc nước - TH3 2

Hình 3.12 Quan hệ q ~ Vmax trường hợp L = 150m, H2 = 0m 3

Hình 3.13 Quan hệ q ~ Vmax trường hợp m = 8, H2 = 0m 4

Hình 3.14 Quan hệ q ~ Vmax trường hợp m = 8, L = 150m 5

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thông số m, H2 đến lưu tốc lớn nhất 6

Hình 3.16 Ảnh hưởng của thông số L, H2 đến lưu tốc lớn nhất 7

Hình 3.17 Lựa chọn thông số đập đá đổ đang xây dựng phục vụ dẫn dòng 8

Hình 4.1 Mặt cắt ngang đập đắp đập vượt lũ giai đoạn 2 21

Hình 4.2 Bố trí gia cố dốc nước bằng tấm bê tông 22

Hình 4.3 Xác định chiều dày trung bình của tấm bê tông 22

Hình 4.4 Gia cố bề mặt cho nước tràn qua đập đá đổ đang xây dựng 22

Hình 4.5 Mặt cắt ngang đập tính khối lượng giai đoạn 1 và giai đoạn 2 23

Hình 4.6 Mặt cắt dọc đập tính khối lượng giai đoạn 1 và giai đoạn 2 23

Hình 4.7 Lưu tốc lớn nhất các phương án 28

Hình 4.8 Chi phí vật liệu gia cố đập cho các phương án 28

Hình 4.9 Khối lượng thi công giai đoạn 1 và giai đoạn 2 các phương án 29

Hình 4.10 Cường độ thi công giai đoạn 1 và giai đoạn 2 các phương án 29

Hình 4.11 Mô hình tính toán dòng chảy trên bề mặt đập đang xây dựng 2 chiều 31

Hình 4.12 Kết quả tính toán 2 chiều dòng chảy trên bề mặt đập đang xây dựng 31

Hình 4.13 Cao trình mực nước thượng lưu tại TT1 32

Hình 4.14 Lưu tốc dòng chảy tại TT1 32

Hình 4.15 Lưu tốc dòng chảy tại TT2 32

Hình 4.16 Lưu tốc dòng chảy tại TT3 32

Hình 4.17 Mô hình dẫn dòng qua đập đang xây dựng và đường hầm 33

Hình 4.18 Điều kiện ban đầu dẫn dòng qua đập đang xây dựng và đường hầm 33

Hình 4.19 Kết quả phân bố dòng chảy qua đập đang xây dựng và đường hầm 34

Hình 4.20 Kết quả phân bố dòng chảy cắt qua tim đường hầm 34

Hình 4.21 Lưu tốc dòng chảy tại TT4 35

Hình 4.22 Lưu tốc dòng chảy tại TT7 35

Hình 4.23 Lưu tốc dòng chảy tại TT5 35

Hình 4.24 Lưu tốc dòng chảy tại TT8 35

Hình 4.25 Lưu tốc dòng chảy tại TT6 35

Hình 4.26 Lưu tốc dòng chảy tại TT9 35

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Phân chia mùa kiệt và mùa lũ 5 vùng của Việt Nam 37

Bảng 3.1 Tần suất lưu lượng thiết kế của công trình dẫn dòng 54

Bảng 3.2 Tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng khi cho nước tràn qua đập đang xây dựng 54

Bảng 3.3 Tần suất thiết kế dẫn dòng thi công khi công trình chính tham gia phục vụ dẫn dòng thi công 55

Bảng 3.4 Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất để thiết kế các công trình tạm thời phục vụ công tác dẫn dòng thi công 56

Bảng 3.5 Bảng tính toán điều tiết lũ 69

Bảng 3.6 Dẫn dòng thi công qua cống - So sánh kết quả thí nghiệm mô hình với tính toán bằng chương trình 71

Bảng 3.7 Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng và cống - So sánh kết quả thí nghiệm mô hình với tính toán bằng chương trình 72

Bảng 3.8 Thông số đầu vào tính toán Vmax 73

Bảng 3.9 Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trên bề mặt đập đá đổ đang xây dựng khi dẫn dòng 74

Bảng 3.10 Các trường hợp tính kiểm định chương trình 1

Bảng 3.11 Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trường hợp L = 150m, H2 = 0m 3

Bảng 3.12 Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trường hợp m = 8, H2 = 0m 4

Bảng 3.13 Kết quả tính lưu tốc lớn nhất trường hợp m = 8, L = 150m 5

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của công trình thủy điện Tuyên Quang 11

Bảng 4.2 Các thông số kỹ thuật công trình Cửa Đạt 13

Bảng 4.3 Các thông số kỹ thuật công trình thủy điện Sơn La 14

Bảng 4.4 Các thông số kỹ thuật công trình thủy điện Lai Châu 15

Bảng 4.5 Tần suất thiết kế dẫn dòng khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng 16

Bảng 4.6 Tần suất thiết kế dẫn dòng khi công trình chính tham gia dẫn dòng 17

Bảng 4.7 Đề xuất tần suất lưu lượng thiết kế dẫn dòng khi cho nước tràn qua đập đang xây dựng 19

Bảng 4.8 Thông số đập đá đổ xây dựng dở 21

Bảng 4.9 Kết quả tính toán thủy lực dẫn dòng kết hợp đập đang xây dựng (tràn) và đường hầm 26

Bảng 4.10 Kết quả tính toán cường độ thi công và chi phí gia cố các phương án 27

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ

MNTL Mực nước thượng lưu

QCVN Quy chuẩn Quốc gia Việt Nam

RCC Bê tông đầm lăn (Roller Compacted Concrete – RCC)

TCVN Tiêu chuẩn Quốc gia Việt Nam

TNMH Thí nghiệm mô hình

QP% Lưu lượng thiết kế dẫn dòng

Qtk Lưu lượng thiết kế công trình dẫn dòng

2 Giải thích các thuật ngữ

Công trình dẫn dòng: Gồm công trình dẫn nước và công trình ngăn nước Công trình dẫn nước có thể là kênh, cống, đường hầm, đập đang xây dựng, tràn đang xây dựng, tràn xả lũ có nhiệm vụ dẫn nước từ thượng lưu về hạ lưu Công trình ngăn nước có thể là đê quai, đập tạm, đập chính đang xây dưng, đập chính có nhiệm vụ chắn nước bảo vệ hố móng, hướng dòng chảy theo công trình dẫn nước về hạ lưu

Tần suất thiết kế dẫn dòng: Tần suất lưu lượng và mực nước lớn nhất để thiết kế các công trình phục vụ dẫn dòng thi công

Thời đoạn dẫn dòng: Khi thiết kế dẫn dòng, người ta chia quá trình dẫn dòng ra một hoặc nhiều thời đoạn Thời đoạn có thể là một vài tháng, một mùa, một năm hoặc nhiều năm Ứng với mỗi thời đoạn dẫn dòng, sử dụng một loại công trình dẫn nước và công trình chắn nước

Lưu lượng thiết kế dẫn dòng (QP%): Lưu lượng dòng chảy lớn nhất trong thời đoạn dẫn dòng ứng với tần suất thiết kế dẫn dòng

Lưu lượng thiết kế công trình dẫn dòng (Qtk): Lưu lượng dòng chảy qua công trình dẫn dòng để thiết kế công trình dẫn nước Lưu lượng này dùng để thiết kế cho hạng mục công trình dẫn dòng được xác định trên cơ sở lưu lượng thiết kế dẫn dòng và tính toán cân bằng nước

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Hầu hết các công trình thủy lợi, thủy điện xây dựng trên sông, suối đều phải dẫn dòng thi công Trong quá trình xây dựng, nhiều công trình do lựa chọn qui mô công trình dẫn dòng chưa hợp lý dẫn đến sự cố như đê quai hoặc đập chính bị vỡ gây thiệt hại nhiều mặt, thời hạn thi công bị kéo dài

Công tác dẫn dòng thi công là một trong những nội dung quan trọng có tính chất quyết định thành công trong xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện Ở Việt Nam đã thực hiện xây dựng thành công nhiều công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện lớn nhỏ khác nhau Trong đó, có những công trình điển hình như Thác Bà, Hòa Bình, Tuyên Quang, Cửa Đạt, Sơn La, Bản Chát, Nậm Chiến… Các phương án dẫn dòng và các thông số của công trình dẫn dòng đã được lựa chọn và thiết kế hợp lý góp phần xây dựng công trình đầu mối đúng tiến độ, an toàn và tiết kiệm chi phí

Việc lựa chọn phương án và quy mô của công trình dẫn dòng gắn liền với các bước thiết kế Công tác dẫn dòng có tính chất quyết định đến lựa chọn kết cấu các hạng mục công trình trong hệ thống, đến trình tự xây dựng, tiến độ, an toàn và chi phí xây dựng Thông thường, khi thiết kế cần đề xuất một số phương án và khi lựa chọn phương án hợp lý phải thông qua phân tích kinh tế - kỹ thuật, trong đó có việc lựa chọn sơ đồ dẫn dòng, chủng loại và qui mô công trình dẫn dòng thông qua các bước như: chọn lưu lượng thiết kế, tính toán thủy lực và thí nghiệm mô hình, xác định các thông số cơ bản của công trình dẫn dòng, tính toán ổn định, thiết kế gia cố…

Quy mô của công trình dẫn dòng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chi phí xây dựng công trình dẫn dòng và tiêu năng ở hạ lưu, chi phí đắp đê quai, trình tự và tiến độ thi công, khối lượng thi công công trình chính và công trình tạm trong các giai đoạn, chi phí ngập lụt, phòng tránh hay chấp nhận rủi ro Để có thể xác định quy mô công trình dẫn dòng và đánh giá hiệu quả công tác dẫn dòng, người thiết kế phải đủ năng lực cũng như phải tính toán công phu với khối lượng công việc tính toán rất lớn

Việc xác định thông số thủy lực công trình dẫn dòng là một trong những nội dung tốn nhiều công sức và trí tuệ của kỹ sư thiết kế Vấn đề đặt ra là làm sao tính toán thủy lực dẫn dòng thi công được nhanh và thuận tiện giúp cho việc sơ bộ xác định phương án dẫn dòng hợp lý cùng với quy mô của công trình dẫn dòng trước khi thiết kế chi tiết Những bài toán cơ bản về tính toán thủy lực dẫn dòng thi công cũng đã được nhiều tác giả hoặc tài liệu, hồ sơ thiết kế đề cập nhưng chưa khái quát hóa việc ứng dụng cũng như quy trình tính toán cụ thể nhằm giúp những người thiết kế sau này thực hiện hiệu quả hơn

Ở Việt Nam và trên thế giới đã xây dựng thành công rất nhiều công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện, nhưng công tác tổng kết đúc rút kinh nghiệm cũng như quy trình tính toán được công bố đối với mỗi công trình cũng chưa thật đầy đủ và toàn diện Việc xác định sơ đồ tính và thiết lập chương trình tính toán thủy lực ứng với từng sơ đồ một cách khoa học lại càng cần thiết

Khi thiết kế dẫn dòng thi công, việc chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng, đặc biệt là lũ thiết kế khi công trình chính tham gia dẫn dòng còn nhiều vấn đề cần bàn luận Mặc dù tiêu chuẩn của Việt Nam và các nước cũng đề cập khá kỹ, nhưng các qui định hiện tại của chúng ta vẫn cần phải nghiên cứu làm rõ thêm trong luận án

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

Việc thiết kế dẫn dòng thi công luôn cần thiết mặc dù hiện nay phần lớn các công trình ở Việt Nam đã xây dựng nhưng việc mở rộng NMTĐ Hòa Bình, Yaly hay các công trình

ở Lào như Luông Phrabang và các bậc thang Mekong đối với các chuyên gia Việt Nam rất cần thiết và quan trọng

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

- Xây dựng cơ sở khoa học để kiến nghị lựa chọn tần suất thiết kế, thời đoạn dẫn dòng, xác định lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công;

- 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 khi có nhiều công trình cùng tham gia dẫn dòng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là công tác xây dựng công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện 3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Phân tích lựa chọn phương án dẫn dòng thi công, 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;

- Công tác dẫn dòng thi công khi sử dụng nhiều công trình tháo nước cùng đồng thời tham gia 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 phục vụ lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng;

- Lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng đồng thời cống và đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5.1 Cách tiếp cận

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, luận án sử dụng cách tiếp cận tổng quan về công tác dẫn dòng thi công từ thực tiễn xây dựng ở Việt Nam và trên thế giới thông qua các tổng kết thi công, tiêu chuẩn qui phạm trong và ngoài nước; Tiếp cận lý thuyết về tính toán thủy lực công trình kết hợp các phương pháp và mô hình tính hiện đại

5.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết;

- Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm và kế thừa;

- Phương pháp mô hình hóa;

- Phương pháp chuyên gia

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6.1 Ý nghĩa khoa học

- Tổng hợp nội dung khoa học và phương pháp phân tích lựa chọn phương án dẫn dòng thi công, chọn thời đoạn thiết kế dẫn dòng, chọn tần suất lưu lượng thiết kế và tính toán thủy lực dẫn dòng thi công;

- Đóng góp vào cơ sở khoa học để lựa chọn hợp lý quy mô của công trình dẫn dòng trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Đề xuất lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng phù hợp với điều kiện làm việc của công trình, trên cơ sở đảm bảo an toàn và hiệu quả, góp phần hoàn thiện QCVN và công tác thiết kế dẫn dòng thi công trong xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam;

- Đề xuất trình tự tính toán lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng trường hợp hai hoặc nhiều công trình cùng tham gia dẫn dòng;

- Xây dựng phần mềm tính toán phục vụ tính toán thiết kế phương án dẫn dòng thi công phục vụ xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện

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

Khi xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện phải có những giải pháp để dẫn nước từ thượng lưu về hạ lưu công trình, đảm bảo hố móng khô ráo để thi công công trình, được gọi là dẫn dòng thi công [1] Dẫn dòng thi công nhằm hai mục đích

cơ bản sau đây:

- Ngăn chặn những ảnh hưởng bất lợi của dòng chảy trong quá trình thi công, làm cho công tác thi công được tiến hành trong môi trường khô ráo một cách thuận lợi

- Dẫn dòng chảy về hạ lưu để đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp dòng nước trong quá trình thi công như tưới ruộng, phát điện, nuôi cá, vận tải, nước dùng trong công nghiệp

đề dẫn dòng thi công đã gây nên tình trạng nửa chừng phải thay đổi phương pháp thi công, đảo lộn thứ tự xây dựng công trình, kéo dài thời gian thi công và tăng chi phí xây dựng Thậm chí, gây hư hỏng nghiêm trọng đối với công trình và tăng chi phí rất lớn như công trình Mammoth [2], đập Short Creek ở Mỹ; công trình Cửa Đạt [3], Sông Mực, IaKrêl 2 ở Việt Nam

Khi thiết kế dẫn dòng thi công thường phải thông qua phân tích và lựa chọn sơ bộ một

số phương án dẫn dòng Sau đó, thông qua tính toán thiết kế định lượng và tìm ra phương án phù hợp nhất Thiết kế dẫn dòng thi công gắn liền với nội dung thiết kế ở các bước thiết kế, từ bước thiết kế cơ sở đến bản vẽ thi công Thiết kế dẫn dòng thi công phải đảm bảo các nguyên tắc cơ bản [4], [5]:

- Tiến độ thi công toàn bộ hệ thống công trình với thời gian ngắn, giá thành hạ; rút ngắn thời gian đầu tư ban đầu, phát huy nhanh hiệu quả đầu tư

- Thi công công trình chính an toàn, cân bằng cường độ thi công, tránh chồng chéo, bảo đảm tính chủ động trong thi công

- Công trình dẫn dòng đơn giản, khối lượng công trình nhỏ, giá thành hạ, thi công thuận tiện, tốc độ nhanh

- Thỏa mãn yêu cầu các thành phần kinh tế

Khi chọn phương án dẫn dòng thi công phải xem xét toàn diện tới các điều kiện thủy văn, khí tượng, địa hình, địa chất, dân sinh kinh tế của vùng xây dựng, sử dụng tổng hợp dòng sông của các ngành kinh tế khác và hình thức kết cấu, bố trí không gian và khối lượng công trình xây dựng, năng lực thi công [1], [6], [7] Nội dung chính của thiết kế dẫn dòng thi công:

- Chọn được phương pháp dẫn dòng thích hợp trong từng giai đoạn thi công;

- Chọn được tần suất thiết kế và thời đoạn dẫn dòng thi công phù hợp Từ đó xác định được lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công;

- Tính toán thủy lực và điều tiết dòng chảy, xác định được quy mô công trình tháo nước và ngăn nước cho phương án dẫn dòng;

- Xác định trình tự thi công các hạng mục công trình và tiến độ khống chế theo phương án dẫn dòng đã chọn, đáp ứng đúng thời hạn xây dựng

Lựa chọn phương án dẫn dòng thi công sẽ ảnh hưởng đến tiến độ thi công, thời gian ngăn sông, đắp đập vượt lũ 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

Cho đến nay, việc xây dựng đập lớn trên thế giới rất phát triển, nhiều đập cao với hình thức kết cấu khác nhau đã được xây dựng Điển hình như đập vòm bê tông Kim Bình - I của Trung Quốc là đập cao nhất thế giới với chiều cao 305m [8], đập Nurek

ở Tat-gi-kis-tan là đập đất đá cao thứ hai thế giới (cao 300m), đập Grande Dixence ở Thụy sĩ là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới, với chiều cao 285m [9] Ngoài ra

Trong quá trình xây dựng, công tác dẫn dòng thi công được ứng dụng rất đa dạng, sử dụng nhiều dạng công trình dẫn dòng khác nhau gồm cống, đường hầm, kênh, lòng sông thu hẹp, đập đang xây dựng, tràn đang xây dựng, tràn xả lũ Công trình dẫn dòng thi công ở các giai đoạn của một số công trình tiêu biểu trên thế giới được trình bày ở Phụ lục 1-2 [5] và Phụ lục 1-3 [10]

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

Tần suất thiết kế dẫn dòng là thông số đầu tiên cần quan tâm khi giải quyết bài toán thủy lực dẫn dòng thi công nhằm xác định quy mô của công trình dẫn dòng Nếu lựa chọn được tần suất phù hợp, không những đảm bảo an toàn cho công trình trong quá trình thi công mà còn giúp giảm nhỏ quy mô công trình dẫn dòng, tiết kiệm chi phí cho công tác dẫn dòng thi công

Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình lớn, thời gian thi công dài như thủy điện Hòa Bình, thủy điện Tuyên Quang, thủy lợi thủy điện Cửa Đạt, thủy điện Sơn La, thủy điện Lai Châu, thủy lợi thủy điện Tả Trạch Phương án dẫn dòng và tần suất thiết kế dẫn dòng cho các giai đoạn của những công trình này được trình bày trong Phụ lục 2-1 đến Phụ lục 2-6 Tần suất thiết kế dẫn dòng của các công trình này được lấy khác nhau tùy từng loại hình công trình dẫn dòng, số năm sử dụng công trình dẫn dòng và thay đổi theo trình tự xây dựng công trình

Ở Trung Quốc sử dụng khá nhiều loại hình đập đá đổ chống thấm bằng tường lõi hoặc chống thấm bằng bản mặt bê tông Đập đá đổ có khả năng chống xói khi cho nước tràn qua trong thời kỳ thi công để tiết kiệm thời gian và chi phí cho công trình dẫn dòng nên đã được ứng dụng khá nhiều

Đập đá đổ bản mặt bê tông nhà máy thủy điện Thiên Sinh Kiều có chiều cao 178m, sử dụng đường hầm dẫn dòng về mùa kiệt tần suất 5%, mùa lũ dẫn dòng với tần suất 3,3%

với lưu lượng Q = 10.800 m3/s Năm 1995 tháo lũ qua đê quai, thân đập chưa đắp, lưu lượng lớn nhất 4.750 m3/s Năm 1996 mặt đập chừa lại rộng 120m để xả lũ qua đập đang xây dựng, lưu lượng xả lớn nhất 3.790 m3/s Năm 1997 sử dụng tần suất 0,33%, năm 1998 sử dụng tần suất 0,2% để thiết kế dẫn dòng [11]

Phụ lục 2-7 đến Phụ lục 2-9 giới thiệu tần suất dẫn dòng thi công đập đá đổ bản mặt bê tông công trình hồ Sách Khê có chiều cao đập 132,5m và Bạch Khê có chiều cao đập 124,4m, thủy điện Thủy Bố Á có chiều cao 233m [11] Ngoài ra còn có các công trình khác ở Trung Quốc sử dụng hình thức dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng với tần suất và lưu lượng như Phụ lục 2-10 [11] Bênh cạnh đó, tần suất lũ thi công của một số đập đã xây dựng khác ở Trung Quốc được trình bày trong Phụ lục 2-11 [12] Đặc điểm chung của các công trình này khi dẫn dòng là sử dụng tần suất thiết kế dẫn dòng thi công khác nhau cho các giai đoạn thi công khác nhau, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình chính, chiều cao công trình chắn nước và dung tích lòng hồ tại thời điểm dẫn dòng thi công

Hiện nay ở Việt Nam đang sử dụng QCVN 04-05:2012/BNN&PTNT [13] và TCVN 9160:2012 - Công trình thủy lợi - Yêu cầu thiết kế dẫn dòng trong xây dựng [14] để lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công Tuy nhiên các tiêu chuẩn này chưa phản ánh đúng và đầy đủ tình trạng làm việc của công trình chính khi tham gia vào công tác dẫn dòng, chưa quy định lựa chọn tần suất dẫn dòng cụ thể như thế nào khi công trình chính tham gia dẫn dòng (chắn nước) hoặc khi sử dụng công trình chính để dẫn dòng thi công cho nước tràn qua

Trong các tài liệu, quy chuẩn, giáo trình, 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, nếu xảy ra sự cố thì việc ngập lụt hạ lưu bị ảnh hưởng như thế nào, thiệt hại về kinh tế sẽ diễn ra như thế nào, việc kiến nghị nâng hạ cấp tần suất là chưa

có cơ sở khoa học rõ ràng

Khi công trình chính tham gia vào công tác dẫn dòng, đặc biệt là khi cho nước tràn qua đập đang xây dựng thì chưa có quy định cụ thể 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

Như vậy 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 Vấn đề đầu tiên luận án cần nghiên cứu

là công tác lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công, đề xuất điều chỉnh bổ sung vào tiêu chuẩn của Việt Nam về lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công

1.2.2 Thời đoạn dẫn dòng thi công

Việt nam là nước có đặc điểm địa lý khí tượng thay đổi mạnh theo các miền Các đặc trưng lưu lượng theo mùa kiệt và mùa lũ rất rõ rệt, thời gian diễn ra của các mùa cũng thay đổi dọc theo các miền và phụ thuộc vào vĩ độ Khi vận dụng khoa học kỹ thuật của thế giới vào Việt Nam cũng cần phải phân tích kỹ yếu tố thời gian diễn ra của mùa cũng như đặc điểm dòng chảy trong các tháng của từng mùa ở từng miền Bắc, Trung, Nam để chọn được phương án dẫn dòng cũng như thiết kế các thông số cụ thể của công trình dẫn dòng phù hợp nhất

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 Các công trình ở Việt Nam và trên thế giới mới đưa ra kiến nghị mà chưa lý giải một cách đầy đủ và toàn diện cơ sở khoa học để nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng thi công Đây là một trong nhưng nội dung đặt ra cần nghiên cứu để có cơ sở khi

áp dụng vào Việt Nam Trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay, việc lựa chọn thời đoạn dẫn dòng sao cho phù hợp với từng khu vực, từng lưu vực sông ở Việt Nam là những nội dung trong thực tế đang đặt ra cần được giải quyết

Luận án tổng hợp các đặc điểm khí tượng thủy văn từng vùng miền của Việt Nam, phân tích các đặc điểm dòng chảy liên quan đến việc chọn thời đoạn dẫn dòng thi công, đồng thời 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

Trong các bước thiết kế dẫn dòng thi công, việc chọn phương án dẫn dòng, thời đoạn dẫn dòng và tần suất thiết kế dẫn dòng thi công liên quan mật thiết với nhau Kết quả của việc lựa chọn này là xác định được lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công Từ đó, tính toán thủy lực và tính toán điều tiết dòng chảy để xác định mực nước thượng lưu

và lưu tốc dòng chảy qua công trình dẫn dòng

Karen Fisher và David Ramsbottom hướng dẫn các bước để tính toán dẫn dòng thi công qua kênh gồm tính toán lưu lượng, lựa chọn và tính toán kết cấu kênh dẫn [15], các nghiên cứu này chỉ áp dụng cho các công trình nhỏ, chiều cao đập không lớn Sổ tay tính toán thủy lực của Nga [16] cũng hướng dẫn tính toán thủy lực qua nhiều dạng công trình khác nhau, là một tài liệu có giá trị trong tính toán thủy lực dẫn dòng Tuy nhiên sổ tay này chỉ hướng dẫn 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

TCVN 9160:2012 - Công trình thủy lợi - Yêu cầu thiết kế dẫn dòng trong xây dựng [14]

đề cập đến tính toán thủy lực qua lòng sông thu hẹp, kênh dẫn, đường hầm và cống, cửa tràn răng lược, đập đá đổ đang xây dựng Nhược điểm của tiêu chuẩn này là chưa đề cập đến phương pháp tính toán thủy lực khi kết hợp dẫn dòng đồng thời qua nhiều công trình tháo khác nhau mà thực tế xây dựng rất hay gặp như: Dẫn dòng qua lòng sông thu hẹp đồng thời với dẫn qua cống/đường hầm; Dẫn dòng qua đập đang xây dựng đồng thời với dẫn qua cống/đường hầm; Dẫn dòng qua tràn đồng thời với dẫn qua cống/đường hầm…

Hiện nay có các mô hình tính toán thủy lực động lực sông, hệ thống kênh, vận chuyển bùn cát trên thế giới và Việt Nam như MIKE, HEC-RAS, TELEMAC, VRSAP tuy nhiên việc sử dụng các mô hình này khá phức tạp Bên cạnh đó nội dung thủy lực công trình trong tính toán dẫn dòng xây dựng dựa trên cơ sở dòng chảy ổn định với 3 phương trình

có bản là phương trình động lượng, phương trình liên tục, phương trình Bernoully, trong khi các phần mềm kể trên sử dụng hệ phương trình vi phân cơ bản là hệ phương trình

Saint Venant gồm phương trình liên tục và phương trình động lực của dòng chảy một chiều Các phần mềm này không thực sự phù hợp cho tính toán thủy lực dẫn dòng

Phần mềm tính toán thủy lực Flow-3D tính toán và mô phỏng rất chi tiết chế độ dòng chảy qua các dạng công trình, để sử dụng phần mềm này cần đưa vào nhiều dữ liệu về điều kiện biên, yêu cầu cấu hình máy tính cao, mỗi lần tính cho một trường hợp mất nhiều thời gian, không phù hợp với việc tính toán để lựa chọn phương án Phần mềm Flow-3D phù hợp với việc đánh giá chế độ thủy lực chi tiết qua công trình dẫn dòng, đặc biệt đối với các công trình không có thí nghiệm mô hình hoặc có thể kết hợp với thí nghiệm mô hình để đánh giá thêm các phương án chỉnh sửa đối với các công trình có thí nghiệm mô hình

Bên cạnh đó có phần mềm tính toán thủy lực Hydraulic Calculator của công ty Bentley Systems, phần mềm Tính toán thủy lực công trình EHPro của Vũ Đại Nguyên, tuy nhiên các phần mềm này tính cho công trình độc lập, chưa tính toán thủy lực đồng thời qua đập đang xây dựng và cống, chưa kết hợp tính toán điều tiết lũ để phục vụ tính toán thủy lực dẫn dòng Ngoài ra chương trình tính toán thủy lực qua cống chưa có xử

lý chuyển tiếp giữa chế độ chảy ngập sang không ngập, chảy không áp sang có áp, làm cho kết quả tính toán có bước nhảy về số học, chưa phù hợp với bài toán tính thử dần khi xả kết hợp cống và đập đang xây dựng để xả lũ

Những phân tích trên đặt ra cho luận án cần phải nghiên cứu lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng đồng thời qua cống và đập đang xây dựng, xây dựng biểu đồ diễn biến lưu tốc dọc theo chiều dài dòng chảy qua công trình đập đang xây dựng Nghiên cứu của luận án sẽ giúp các kỹ sư tính toán thủy lực nhanh và hiệu quả nhất làm cơ sở xác định quy mô công trình và biện pháp gia cố khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng 1.3 Dẫn dòng thi công qua cống, đường hầm

Sử dụng cống và đường hầm để dẫn dòng có ưu điểm nổi bật là giao thông được hai

bờ, vừa dẫn dòng vừa thi công được phần đập lòng sông, có khả năng thi công với cường độ cao, đảm bảo tiến độ thi công

1.3.1 Dẫn dòng thi công qua cống

Trường hợp phổ biến nhất là 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 như công trình Núi Cốc (1973), Kẻ Gỗ (1976), Yên Lập (1977), Đầm Hà Động (2005)

Cống dẫn dòng được sử dụng tháo lũ hàng trăm m3/s, trong điều kiện cột nước hàng vài chục mét như các công trình Sơn La, Lai Châu, Tuyên Quang [17], [18], [19] Để giảm bớt khó khăn khi hoành triệt cống và cải thiện điều kiện chịu lực của cống, thường dùng cống có mặt cắt chữ nhật và các góc lượn cong, đồng thời bố trí cống ở các độ cao khác nhau Khi hoành triệt cống thì tiến hành đối với các cống theo trình tự

từ thấp lên cao để giảm bớt khó khăn do cột nước dâng cao ở thượng lưu đập

Phương pháp dẫn dòng qua cống không cản trở quá trình thi công các hạng mục khác, đặc biệt đối với việc xây dựng đập cao mà có cống lâu dài thì càng có lợi cả về kỹ thuật

và kinh tế Dẫn dòng qua cống có khuyết điểm là hoành triệt cống khó khăn, ít nhiều có ảnh hưởng đến tính hoàn chỉnh của công trình, khi tháo nước dễ bị vật nổi chắn ngang cống

Công trình thủy điện Sơn La (Hình 1.1) [18] dùng cống kích thước nxbxh = 2x12mx12m, cao trình đáy cống +108,0m Cống dẫn dòng được sử dụng để dẫn dòng kết hợp với kênh dẫn dòng thi công chiều rộng đáy B = 90m, cao trình đáy kênh +110,0m trong năm thi công thứ 3, 4, 5 với lưu lượng thiết kế dẫn dòng lớn nhất là 14.642 m3/s; dẫn dòng kết hợp với đập đang xây dựng dở vào mùa lũ năm thi công thứ 6 với lưu lượng thiết kế dẫn dòng là 16.044 m3/s; dẫn dòng độc lập vào mùa kiệt năm thi công thứ 6 và năm thi công thứ 7 với lưu lượng dẫn dòng thiết kế là 2.568 m3/s Công tác dẫn dòng thi công qua cống của công trình này đã diễn ra an toàn

Công trình thủy điện Lai Châu sử dụng cống dẫn dòng kích thước nxbxh = 2x10mx16m, cao độ cửa vào +199,0m [17] Cũng tương tự như công trình thủy điện Sơn La, cống dẫn dòng công trình thủy điện Lai Châu được sử dụng dẫn dòng kết hợp với kênh dẫn dòng thi công có chiều rộng đáy B = 35m, cao trình đáy +200,0m ở năm thứ

3, 4, 5 với lưu lượng thiết kế dẫn dòng lớn nhất là 10.388 m3/s; dẫn dòng độc lập qua cống dẫn dòng với lưu lượng thiết kế dẫn dòng là 1.837 m3/s Thực tế dẫn dòng thi công, lưu lượng đến lớn nhất trong giai đoạn cống làm việc độc lập là 924 m3/s, dẫn dòng qua cống trong giai đoạn thi công an toàn

Công trình thủy điện Bắc Hà sử dụng cống dẫn dòng với kích thước nxbxh = 3x5mx9m với tần suất 5%, lưu lượng thiết kế dẫn dòng là 1.134 m3/s vào mùa kiệt năm 2006 và 2007 [20] Cống dẫn dòng này cũng được sử dụng để dẫn dòng kết hợp vào mùa lũ năm 2006 với tần suất 5% với lưu lượng thiết kế dẫn dòng là 2.530 m3/s Quá trình dẫn dòng diễn ra đúng với tính toán thiết kế, dẫn dòng thi công công trình an toàn, hiệu quả

Ngoài ra còn nhiều công trình khác ở Việt Nam dùng hình thức cống dẫn dòng như Tuyên Quang (Hình 1.2) [19], Bình Điền (Hình 1.3) [21], Bản Chát, Bản Vẽ Ở Trung Quốc có trạm thủy điện Giá Lâm, Bạch Liên Hà [5]

Hình 1.1 Công trình thủy điện Sơn La - Mặt cắt dọc cống dẫn dòng

Hình 1.2 Công trình thủy điện Tuyên Quang - Mặt cắt ngang cống dẫn dòng thi công

Hỡnh 1.3 Cụng trỡnh thủy điện Bỡnh Điền - Mặt cắt dọc cống dẫn dũng thi cụng 1.3.2 Dẫn dũng thi cụng qua đường hầm

Luận ỏn tiến sĩ của Nguyễn Danh Oanh (2003) nghiờn cứu lựa chọn hợp lý chế độ thuỷ lực ở cửa vào đường hầm dẫn dũng thi cụng trong xõy dựng cụng trỡnh thuỷ lợi và thuỷ điện Luận ỏn đó xõy dựng được mụ hỡnh lý thuyết để giải bài toỏn động - động lực học ở cửa vào đường hầm, tớnh được cỏc đặc trưng thủy động lực học ở cửa vào đường hầm với bài toỏn phẳng Luận ỏn cũng lập được cụng thức gần đỳng tớnh hệ số giảm ỏp dọc theo trần cửa vào khụng gian, từ đú đề xuất biện phỏp cụng trỡnh cửa vào

cú trụ nhụ để giảm chõn khụng trờn trần cửa vào đường hầm [22] Nghiờn cứu này gúp phần hoàn chỉnh tớnh toỏn thủy lực đường hầm, giỳp cho việc dẫn dũng qua đường hầm được ứng dụng rộng rói hơn trong thực tế

Đường hầm dẫn dũng cú thể sử dụng để dẫn dũng trong cả mựa lũ và mựa kiệt như cụng trỡnh Hũa Bỡnh [23], Cửa Đạt [3] Trung Quốc cú cụng trỡnh trạm thủy điện Long Dương Hiệp, ễ Giang Độ, Đụng Giang, ở Ấn Độ cú cụng trỡnh Si-li-sa-lam, ở Mỹ cú cụng trỡnh Devosik, Paoerth (Phụ lục 1-4) [5] Cỏc đường hầm này cú kớch thước lớn, với diện tớch mặt cắt từ 28,3 m2 đến 254 m2, dẫn lưu lượng 196 m3/s đến 3.340 m3/s Cụng trỡnh Cửa Đạt dựng đường hầm TN2 dẫn dũng cú đường kớnh trung bỡnh 9m, dài 820m, đỏy cửa vào ở cao trỡnh +30,0m (Hỡnh 1.4) [24] để dẫn dũng vào mựa kiệt với lưu lượng thiết kế dẫn dũng là 1.250 m3/s, đường hầm này cũng dựng để dẫn dũng đồng thời

đặt sẵn L100x50x8

với đập đang xây dựng vào mùa lũ năm thi công thứ 3, dẫn dòng đồng thời với tràn vào mùa lũ năm thi công thứ 4 Đường hầm TN2 được hoành triệt sau khi xây dựng xong đập chính

Hình 1.4 Công trình Cửa Đạt - Đường hầm dẫn dòng TN2 Công trình thủy điện Huội Quảng sử dụng hầm dẫn dòng thi công tiết diện móng ngựa BxH = (10x10)m, cao độ đáy +286,0m, chiều dài hầm khoảng 250m, kết cấu bê tông cốt thép dày 0,5m (Hình 1.5) [25] Đường hầm dẫn lưu lượng thiết kế 915 m3/s trong mùa kiệt, dẫn dòng đồng thời với 4 lỗ xả thi công trong thân đập nxbxh = 4x5x6m với lưu lượng thiết kế 3.422 m3/s Hầm dẫn dòng được hoành triệt sau khi hoàn thành xây dựng đập chính

Hình 1.5 Công trình thủy điện Huội Quảng - Mặt cắt dọc hầm dẫn dòng thi công Đường hầm lâu dài thường được lợi dụng để dẫn dòng để tiết kiệm chi phí cho công trình dẫn dòng Ở Việt Nam có công trình thủy điện Hòa Bình kết hợp đường hầm tháo nước sau nhà máy thủy điện làm đường hầm dẫn dòng Công trình này sử dụng 2 đường hầm dẫn dòng đường kính 12m dài trên 1000m được sử dụng trong giai đoạn

1986 - 1988, sau đó sau đó tận dụng làm hầm dẫn nước ra sau nhà máy thủy điện [23]

9 4a

8 6

9 7

6 5a

5a

6

7

9 8 5b 5a 4b

8 4/1/04

Ở Trung Quốc có hồ chứa nước Mao Gia Thôn sử dụng kết hợp đường hầm dẫn dòng

và đường hầm tháo lũ (Hình 1.6) [5] Ngoài ra còn có rất nhiều công trình khác của Trung Quốc sử dụng đường hầm lâu dài kết hợp để dẫn dòng (Phụ lục 1-5) [5]

Hình 1.6 Hồ chứa Mao Gia Thôn - Bố trí kết hợp đường hầm dẫn dòng, đường hầm

tháo lũ và đường hầm tháo nước

1 Đường hầm dẫn dòng; 2 Đường hầm tháo nước; 3 Đường hầm tháo lũ

1.4 Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng

Dẫn dòng thi công qua đập đang xây dựng thường được ứng dụng đối với các đập đá đổ, đập đá đắp đầm nén bản mặt bê tông, đập bê tông, đập tràn xả lũ Công trình tháo lũ dạng này có ưu điểm khả năng thoát lũ tốt mà không gây ra dâng nước nhiều ở thượng lưu 1.4.1 Dẫn dòng thi công qua đập đá đổ đang xây dựng

Henry Olivier xây dựng mối quan hệ giữa lưu lượng đơn vị, độ dốc của mái và đường kính hòn đá [26] Phương pháp này áp dụng đối với trường hợp dẫn dòng qua đập đá

đổ đang xây dựng chỉ sử dụng đá có đường kính lớn để gia cố khi dẫn dòng

Luận án tiến sĩ của Vũ Trọng Hồng (1972) đã nghiên cứu dẫn dòng thi công qua đập

đá đổ đang xây dựng rút ra được kết luận là khi mái hạ lưu đập đá đổ đang xây dựng dốc hơn mái 1:3 thì phải gia cố đặc biệt mái hạ lưu đập mới cho phép nước tràn qua, loại gia cố hiệu quả là sử dụng neo với các kết cấu khác nhau [27]

Đề tài cấp nhà nước của Trần Quốc Thưởng (2016) nghiên cứu giải pháp gia cố cho đập đá đổ khi cho nước tràn qua phục vụ dẫn dòng Đề tài xác định được kết cấu gia cố bảo vệ mái đê quai bằng tấm bê tông cốt thép và gia cố mái hạ lưu đập đá đổ bằng các khung thép bỏ đá [28] Đây là hình thức gia cố phổ biến đối với việc bảo vệ bề mặt

khung thép bỏ đá giúp giảm chi phí gia cố bề mặt tràn nước, tuy nhiên lưu tốc lớn nhất trên bề mặt không cao bằng gia cố bằng tấm bê tông kết hợp với neo thép

Phương pháp dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng được ứng dụng nhiều ở trên thế giới như đập Toktogunskia, Nurek, Braunla và ở Việt Nam như công trình Tuyên Quang, Hòa Bình, Cửa Đạt

Đập Toktogunskia (1966) xây dựng trên sông Narưn, đê quai cao 45m được chia 2 giai đoạn, giai đoạn 1 cao 28m và sau đó, giai đoạn 2 tôn cao 45m Đê quai giai đoạn 1 đã được xây dựng có đỉnh tràn và dốc nước bằng bê tông (Hình 1.7) [29] Đặc biệt là khối thoát nước thấm bằng lớp lọc ngược dày 8m ở mái hạ lưu đê quai cùng với phần bê tông cốt thép gia cố là 20.000 m3 Chiều dài đoạn tràn nước qua đỉnh đê quai là 50m, chiều sâu lớp nước tràn là 3,5m, lưu tốc 12 m/s Thời gian tràn nước là 15 ngày, trong đó có

2 ngày lưu tốc đạt lớn nhất

Hình 1.7 Công trình Toktogunskia - Tháo lũ tràn qua đê quai giai đoạn 1

1 Đất lẫn sỏi sạn hỗn hợp; 2 Bê tông dốc nước; 3 Bể tiêu năng; 4 Đá gia cố; 5 Khối

bê tông tetrapod; 6 Sỏi cuội thoát nước có d=40-100mm; 7 Lọc ngược 3 lớp; 8 Màng polyetylen; 9 Đống đá ngăn sông; 10 Đá gia tải; 11 Mặt cắt đê quai thiết kế năm sau Khi xây dựng đập Nurek trên sông Vakhs (1966), đê quai cao khoảng 20m được đắp từ

đá đào đường hầm Kè đá ngăn dòng cao 5,45m, lưu lượng khi ngăn sông 120m3/s Đê quai có mái hạ lưu m=10, đắp bằng cát sỏi hỗn hợp và đất lẫn đá sạn, mặt mái đê quai gia cố bằng tấm bê tông cốt thép 1,5x1,5x0,8m Độ sâu tràn nước qua đê quai từ 9,0m

về 2,0m qua ngưỡng, chế độ chảy là đập tràn đỉnh rộng chảy ngập, thời gian từ 04/05/1966 đến hết 07/09/1966 Khi lưu lượng tràn qua đê quai là 40m3/s thì chiều sâu nước trên đỉnh đê quai từ 5m và khi qua ngưỡng là 1m, gia cố mái hạ lưu an toàn

Hình 1.8 Công trình Ust-Khantaiska - Sơ đồ dẫn dòng tràn qua đê quai giai đoạn 1 và

hố móng; tràn qua đập đá đổ đang xây dựng

a) Năm thi công thứ 1; b) Năm thi công thứ 2

1 Chân đanh và khoan phụt xi măng; 2 Đá đổ; 3 Đất chống thấm; 4 Vùng chuyển tiếp; 5 Kết cấu khung gỗ; 6 Tường lõi chống thấm; 7 Aluvi; 8 Đá gốc

Ở công trình đầu mối Ust-Khantaiska, khi xây dựng đã ứng dụng sơ đồ dẫn dòng sau (Hình 1.8) [29]: Mùa lũ năm 1968 tháo nước qua đường hầm có mặt cắt ngang 10x10m, đồng thời cho tràn qua đê quai, qua hố móng chân khay và phần khoan phụt xi măng màn chống thấm; Mùa lũ năm 1969 tháo nước qua đường hầm đồng thời cho tràn qua mặt đập đá đổ được đầm chặt, phía mái hạ lưu gia cố bằng kết cấu khung giá cao 16m Đập Braunla trên sông Sneik (Mỹ) cao 88,5m, dòng chảy mùa kiệt 225 - 565m3/s, dòng chảy lũ thiết kế 1.400 - 2.000m3/s Mùa kiệt dẫn dòng qua đường hầm đường kính 11,6m, mùa lũ dẫn dòng qua đường hầm và tràn qua đập đá đổ đang xây dựng Bề mặt tràn nước của đập được gia cố bằng đá đầm nén dày 2,4m, mỗi lớp đầm khoảng 0,9m Để quyết định dẫn dòng qua đập, người thiết kế đã phải cân nhắc về kinh tế kỹ thuật với việc đào thêm đường hầm thứ 2

Theo tính toán đập cho tràn nước ở cao trình +560,0m nhưng theo tiến độ thực tế đã cho nước tràn qua vào mùa lũ năm 1957 ở cao trình +552,0m (Hình 1.9) [29], chiều rộng tràn nước là 75m, cao trình đắp đập hai phía bờ khi đó là +565,0m, màn chống thấm khi đó thi công đến cao trình +549,0m Lưu lượng đến lớn nhất thực tế là 2.000m3/s, trong đó chảy qua đập là 1.100 - 1.400 m3/s, lớp nước tràn qua đập là 6,1m Tiếp sau đó là 4 tháng nước lớn với lưu lượng dao động trong khoảng 850 - 2.000 m3/s Việc đắp màn chống thấm thấp hơn ngưỡng tràn qua đập 3m đủ để đập

Hình 1.9 Công trình Braunla - Mặt cắt ngang đập

1 Đá đổ; 2 Đê quai; 3 Đắp đá biến chất; 4 Đá tuyển chọn lớn gia cố mái; 6 Đắp đá hỗn hợp; 7 Mặt đất tự nhiên; 8 Màn chống thấm; 9 Lọc 3 lớp; 10 Lọc 2 lớp; 11 Bề mặt xi măng hóa; 12 Màn khoan phụt xi măng; 13 Đá đổ; 14 Bề mặt đầm chặt

24/12/1957; 15 Aluvi; 16 Đá gốc

Hình 1.10 Đập Ord - Dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng và phương án gia cố

a) Mặt cắt ngang đập; b) Gia cố mái hạ lưu cho nước tràn qua ở cao trình +48,8m

1 Lõi đập; 2 Vùng chuyển tiếp (lớp lọc); 3 Đá đổ; 4 Bề mặt khi cho nước tràn qua ở cao trình 41,0; 5 Neo thép; 6 Hệ neo trên mái; 7 Vùng khoan phụt xi măng gia cố; 8.Chiều sâu khoan phụt chống thấm; 9 Neo thép dài 4,2m; 10 Neo thép dài 10m

Công trình đập Ord (Hình 1.10) [16], có kết cấu là đập đá đổ lõi giữa, chiều cao 98m, phần gia cố trên đỉnh là bê tông chiều dày 1m, phía dưới là lớp đá dày 1,8m, mái hạ lưu

đã gia cố bằng neo thép 25mm với mật độ 1,3x0,45 m cho 1 neo thép, mắt lưới của rọ đá

là 152 x 152 mm, đặc biệt là phần neo thép gia cố có chỗ lên tới 10m Công trình này có lưu lượng đơn vị 46 m3/s.m,lưu tốc đạt gần 4,5 m/s, phần gia cố làm việc hiệu quả Công trình thủy điện Tuyên Quang sử dụng phương pháp dẫn dòng qua đê quai và một phần thân đập đang xây dựng ở cao trình +48,0m có cột nước thấp (4m) và thành công với đê quai được gia cố bằng bê tông, phần đập đang xây dựng nằm thấp hơn cao trình đỉnh đê quai thượng lưu và hạ lưu (Hình 1.11) [30] Lưu lượng thiết kế khi dẫn dòng là 5.036 m3/s ứng với tần suất 5% Việc dẫn dòng qua đập đang xây dựng ở cao trình thấp giúp giảm lưu tốc lớn nhất chảy trên bề mặt đập đang xây dựng, giảm yêu cầu về tiêu năng phía hạ lưu công trình

Hình 1.11 Công trình thủy điện Tuyên Quang - Đê quai thượng lưu được phủ bê tông

cốt thép để cho lũ tràn qua trong quá trình thi công Công trình thủy điện Hòa Bình thành công khi sử dụng phương án dẫn dòng qua đập đang xây dựng tại cao trình +25,0m có cột nước cao hơn (9,5m), phía hạ lưu gia cố bằng đập tràn với bể tiêu năng bằng bê tông (Hình 1.12) [23] Lưu lượng thiết kế dẫn dòng là 14.690 m3/s, lưu lượng đến thực tế lớn nhất trong quá trình thi công là 14.200

m3/s Công trình này đã sử dụng đập tràn tạm có ngưỡng ở cao trình +30,0m giúp giảm nhẹ yêu cầu gia cố bề mặt đập ở cao trình +25,0m vì lưu tốc dòng chảy lớn tập trung chủ yếu bên trên cao trình +30,0m

Hình 1.12 Công trình thủy điện Hòa Bình - Mặt cắt đập ở vùng kênh thi công trong

giai đoạn tháo lũ 1986 Công trình Cửa Đạt đã gặp thất bại khi chọn cao trình phần chừa lại là +50,0m, chênh lệch cột nước lớn (17,5m) với gia cố phần tràn nước bằng thảm rọ đá dày 0,5m, gia cố

ở hạ lưu là rọ đá 2x2m và sử dụng đê quai hạ lưu làm tường tiêu năng (Hình 1.13) Nguyên nhân do chủ quan và khách quan, một trong những nguyên nhân là đặt cao trình tràn qua đập đang xây dựng quá cao, cột nước đổ sau đập lớn Mặt khác, trong quá trình thiết kế thiếu chú ý đến thấm rối qua đập đá, thiếu thí nghiệm mô hình thủy lực mà chỉ thí nghiệm trong máng kính [3]

Hình 1.13 Công trình Cửa Đạt - Dẫn dòng qua đập đang xây dựng năm 2007 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 Cần 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 Khi tính toán gia cố bằng các tấm bê tông kết hợp neo cần tính thêm lực tác động

do mạch động của lưu tốc dòng chảy [31]

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 Ở Trung Quốc có công trình Tam Hiệp, Đơn Giang Khẩu , ở Việt Nam

có công trình Sơn La, Sê San 4 và nhiều công trình khác đã áp dụng phương pháp này Dẫn dòng qua đập bê tông đang xây dựng thường kết hợp với cống dẫn dòng đặt trong thân đập

Công trình thủy điện Sơn La dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng ở cao trình +126,0m, chiều rộng tràn Btràn = 98m và cống dẫn dòng kích thước nxbxh = 2x12x12m, lưu lượng thiết kế dẫn dòng với tần suất 3% là 16.044 m3/s (Hình 1.14)

Hình 1.14 Công trình thủy điện Sơn La - Dẫn dòng qua cống và đập đang xây dựng mùa

lũ 2009

1 Đập tràn đã xây dựng; 2 Phần đập đang xây dựng dùng để dẫn dòng; 3 Cống ngầm

dẫn dòng; 4 Nhà máy thủy điện Đập Sê San 4, đắp đê quai ngăn toàn bộ lòng sông vào đầu mùa kiệt sau khi đã chuẩn

bị cống dẫn dòng thi công bên bờ trái Toàn bộ móng đập được xây dựng trong mùa kiệt, đập được chừa lại một phần ở cao trình +166,00m, chiều rộng tràn Btràn = 178m kết hợp với cống dẫn dòng có kích thước nxbxh = 3x5mx7m (Hình 1.15) để tháo lũ thi công năm 2007 với lưu lượng thiết kế 8.140 m3/s [32] Qua mùa lũ, đập được tiếp tục xây dựng đến cao trình thiết kế, mùa lũ năm sau tràn chính làm việc

Hình 1.15 Công trình Sê San 4 - Chuẩn bị tháo lũ qua đập đang xây dựng 5/2007

1 Phần đập đang xây dựng chừa lại để dẫn dòng; 2 Cống dẫn dòng; 3 Phần đập ở trên

cao thi công bình thường trong mùa lũ

Khi dẫn dòng qua đập bê tông đang xây dựng, cần chú ý hai vấn đề là đảm bảo bề mặt đập dùng để dẫn dòng không bị ăn mòn khi do khí thực và tiêu năng ở hạ lưu

1.4.3 Dẫn dòng thi công qua đập đất đang xây dựng

Hình 1.16 Gia cố đập đất khi cho nước tràn qua

1 Bề mặt gia cố; 2 Đá đổ có khả năng thấm mạnh; 3 Gia cố vải địa kỹ thuật trên mái;

4 Mũi phóng; 5 Đường bão hòa

Khi cho nước tràn qua đập đất có thể gia cố theo sơ đồ Hình 1.16 [16] Sử dụng đá đổ

có khả năng thấm mạnh nhằm giảm lưu tốc ban đầu trước khi tràn trên mái hạ lưu đập, mái hạ lưu được gia cố bằng vải địa kỹ thuật để chống xói cho mái Tuy nhiên hình thức này áp dụng đối với trường hợp chiều cao đập không lớn lắm và lưu lượng đơn vị chảy qua đập không lớn

Trường hợp 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, sẵn sàng 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 Phương án này giúp đẩy nhanh tiến độ thi công đập của mùa kiệt sau vì thời gian thi công chân khay và xử lý chống thấm cho nền mất khá nhiều thời gian, nếu chỉ làm trong một mùa kiệt thì tiến độ đắp đập vượt lũ rất gấp, thậm chí không kịp đắp đập tới cao trình vượt lũ cho mùa lũ năm sau Ở Việt Nam có công trình Hà Động và Tả Trạch áp dụng phương pháp này

1.4.4 Dẫn dòng thi công đồng thời qua đập đang xây dựng và cống, đường hầm Dẫn dòng thi công đồng thời qua nhiều công trình tháo nước về mùa lũ (còn gọi là dẫn dòng kết hợp) thường ứng dụng đối với các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện có thời gian xây dựng trong nhiều năm [33]

Trong những phương án dẫn dòng kết hợp thì phương án dẫn dòng kết hợp qua cống với đập bê tông đang xây dựng là một giải pháp rất dễ áp dụng, mang lại hiệu quả kinh tế cao Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là có thể tháo lũ lớn, mực nước thượng lưu không cao, ít ảnh hưởng tới công trình chính, giảm ngập lụt thượng lưu Mùa kiệt, khi lưu lượng nhỏ, toàn bộ lưu lượng được xả về hạ lưu qua cống Mùa lũ, một phần lưu lượng được xả qua cống, lưu lượng chủ yếu được xả qua đập đang xây dựng Ở Việt Nam có Hoàng Văn Tần và Lê Bá Sơn đã nghiên cứu về vấn đề thủy lực của dạng công trình này Luận án tiến sĩ của Hoàng Văn Tần (1999) nghiên cứu tổng quan về công trình tháo lũ, nghiên cứu thực nghiệm về khả năng tháo lũ, cơ chế dòng chảy và phương pháp tính khả năng tháo kết hợp Luận án tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý của hai sơ đồ công trình tháo kết hợp thường dùng là tràn đỉnh rộng và cống đáy và tràn thực dụng và cống đáy

Theo kết quả nghiên cứu của luận án, cơ chế dòng chảy ở thượng lưu là yếu tố làm cho khả năng tháo của công trình thay đổi khi tháo kết hợp giữa hai dòng tràn mặt và tháo sâu Khả năng tháo của công trình tháo lũ kết hợp tăng hoặc giảm so với trường hợp coi như hai dòng tháo độc lập là do tương quan về lưu lượng giữa hai dòng tràn mặt và dòng tháo sâu trong quá trình tháo kết hợp [34]

Luận án tiến sĩ của Lê Bá Sơn (1994) dựa trên cơ sở phân loại dòng xả để đề xuất các dòng thuộc hình thức xả giữa tràn mặt và tháo sâu, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dạng tổn thất năng lượng do sự tương tác dòng phun tự do và dòng tháo sâu tạo ra

So sánh với dạng xả riêng rẽ, việc sử dụng xả kết hợp giữa dòng phun tự do và dòng tháo sâu làm xuất hiện thêm một dạng tổn thất năng lượng do sự tương tác giữa hai dòng tạo ra Lượng tổn thất này chiếm 20% - 50% tổng tổn thất của dòng xả từ thượng lưu đến hạ lưu [35]

Hai nghiên cứu trên áp dụng đối với công trình xả hoàn thiện, dòng chảy là dòng phun

tự do, tương tác trực tiếp với dòng tháo đáy, chưa hoàn toàn phù hợp với điều kiện dẫn dòng thi công của các công trình

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

Lựa chọn sơ đồ dẫn dòng thi công kết hợp qua cống, đường hầm và công trình đang xây dựng tiết kiệm đáng kể kinh phí xây dựng công trình dẫn dòng và công trình chính [36] Tuy nhiên, chế độ thủy lực khi xả lũ thi công qua các công trình trên rất phức tạp, cần tính toán xem xét các yếu tố thủy lực ảnh hưởng đến công trình và thường thông qua thí nghiệm mô hình thủy lực để đề xuất những biện pháp hợp lý hạn chế những bất lợi của dòng chảy, đảm bảo hiệu quả cao nhất của công trình dẫn dòng thi công cũng như an toàn cho công trình chính

Ở Việt Nam, chênh lệch dòng chảy về mùa kiệt và mùa lũ rất cao, các công trình dẫn dòng phải chia ra mỗi mùa một dạng công trình dẫn dòng khác nhau Với lưu lượng lớn như vậy, nếu thiết kế công trình dẫn dòng cho cả mùa kiệt và mùa lũ thì chi phí sẽ rất cao, sau này phải lấp công trình dẫn dòng sẽ rất phức tạp Vì vậy để đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật, mùa kiệt sử dụng công trình dẫn dòng với lưu lượng nhỏ, mùa

lũ sử dụng công trình có khả năng tháo lớn để dẫn dòng

Mùa kiệt ở giai đoạn sau khi ngăn dòng có thể dùng cống hoặc đường hầm để dẫn dòng, về mùa lũ dùng phương pháp dẫn dòng kết hợp cống hoặc đường hầm với đập đang xây dựng để tháo nước về hạ lưu Biện pháp dẫn dòng đồng thời này có thể áp dụng với đập đá đổ, đá đắp, đập bê tông Việc xác định hợp lý quy mô công trình dẫn dòng là rất cần thiết để giảm chi phí dành cho công tác dẫn dòng

Về cơ bản các công trình của Việt Nam đã xây dựng đã ứng dụng các sơ đồ dẫn dòng phổ biến trên thế giới, thích ứng và phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế kỹ thuật của Việt Nam qua các thời kỳ Các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện lớn ở Việt Nam như Hòa Bình [23], Tuyên Quang [30], Sông Tranh 2, Bản Chát, Cửa Đạt [3], Sơn La, Lai Châu đã sử dụng phương pháp dẫn dòng kết hợp Chi tiết về phương pháp dẫn dòng kết hợp của một số công trình đã xây dựng ở Việt Nam xem Phụ lục 1-6 [28]

Sử dụng phương án dẫn dòng qua đập đang xây dựng, khi cao trình phần đập chừa lại thấp, chế độ chảy là chảy ngập, nói chung không phá hoại công trình Khi cao trình phần đập chừa lại tương đối cao, chế độ chảy là chảy tự do, lưu tốc dòng chảy lớn, có thể phá hoại bề mặt đập dùng để dẫn dòng hoặc phá hoại nền móng phía hạ lưu, trường hợp nguy hiểm có thể làm vỡ đập đang xây dựng

Trong trường hợp lưu lượng lớn, cao trình đập chừa lại cao so với đáy đập, cần phải tiến hành thí nghiệm mô hình với các thông số mô hình phù hợp để kiểm chứng lại các thông số tính toán, đảm bảo dẫn dòng an toàn Do đó, khi quyết định lựa chọn thông số chừa lại ở thân đập, cần nghiên cứu, phân tích, so sánh tính toán cụ thể để quyết định Đối với đập đá đổ, đá đắp, khả năng đập bị phá hoại của dòng chảy khi dẫn dòng qua đập đang xây dựng là lớn, việc lựa chọn hợp lý quyết định nhiều đến sự thành công hay thất bại của công tác dẫn dòng

Đối với đập bê tông thường, lựa chọn thông số công trình dẫn dòng qua đập đang xây dựng gặp ít rủi ro hơn so với đập đá đổ, đá đắp do đập có khả năng chịu lực tốt, chỉ cần quan tâm đến vấn đề khối lượng thi công trước và sau mùa lũ và công tác tiêu năng ở sau công trình Đối với đập bê tông đầm lăn thì cần quan tâm đến cường độ của

bê tông trên bề mặt phải đảm bảo bê tông không bị xói khi dẫn dòng qua đập bê tông đầm lăn đang xây dựng do cường độ chịu kéo ban đầu của bê tông đầm lăn phát triển chậm [37]

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

Chương 1 đã tổng quan về tầm quan trọng của công tác dẫn dòng, các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn tần suất thiết kế và thời đoạn dẫn dòng, thực trạng và yêu cầu của công tác tính toán thủy lực dẫn dòng thi công Tổng hợp và phân tích các nghiên cứu, các công trình thực tiễn liên quan đến dẫn dòng qua cống, đường hầm, dẫn dòng qua đập đang xây dựng dở, từ đó đưa ra nội dung cần nghiên cứu của luận án

Đối với 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 Tuy nhiên, 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 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, phần mềm Flow-3D cần đưa vào điều kiện biên khá phức tạp, yêu cầu cấu hình máy tính cao, mỗi lần tính cho một trường hợp mất nhiều thời gian, 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

Để lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng, luận án nghiên cứu các nội dung sau:

- Nghiên cứu cơ sở khoa học để lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng thi công, xác định thời đoạn dẫn dòng thi công trong điều kiện khí hậu Việt Nam để làm cơ sở cho việc lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công;

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa các yếu tố hình dạng công trình dẫn dòng ảnh hưởng đến chế độ thủy lực khi dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng và đề ra biện pháp gia cố;

- Lập chương trình tính toán thủy lực dẫn dòng khi kết hợp hai công trình dẫn dòng đồng thời phục vụ lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng thi công

Kết quả nghiên cứu giúp ích cho việc xác định các thông số thủy lực cơ bản phục vụ lựa chọn phương án dẫn dòng, quy mô công trình dẫn dòng nhằm đảm bảo công tác dẫn dòng được thực hiện an toàn, hiệu quả, kinh tế