NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP TRÀN THÁO LŨ NAM THẠCH HÃN, TỈNH QUẢNG TRỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tính toán xác định các thông số của công trình tiêu năng, tràn tháo lũ .... Hệ thống được xây dựng từ năm 1978, chính thức đưa vào khai thác, sử dụng từ năm 1990; sau gần 30 năm khai thá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM HỒNG LỢI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN

CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP TRÀN THÁO LŨ NAM THẠCH HÃN,

TỈNH QUẢNG TRỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG NGỌC TUẤN

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của Đề tài 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Kết quả đạt được 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiển 4

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐÀU MỐI CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 5

1.1 Tình hình xây dựng đập tràn dâng nước và tràn tháo lũ trên thế giới 5

1.1.1 Một số thông số chính về các công trình thủy lợi hiện có ở Việt Nam 6

1.1.2 Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thế giới và ở Việt Nam 8

1.2 Phân tích, đánh giá các nguyên nhân mất an toàn cho công trình thủy lợi 9

1.2.1 Nguyên nhân do khảo sát 9

1.2.2 Nguyên nhân do thiết kế 9

1.2.3 Nguyên nhân do thi công: 10

1.2.4 Nguyên nhân do Quản lý vận hành 11

1.3 Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế công trình đập tràn tháo lũ 11

1.3.1 Tính toán thủy văn 11

1.3.1.1 Tính toán lưu lượng đỉnh lũ: 11

1.3.1.2 Xác định quan hệ Q ~ F(Z) hạ lưu tràn xả lũ 12

1.3.2 Tính toán thủy lực cho tràn tháo lũ 12

1.3.2.1 Xác định khả năng tháo của đập tràn: 12

1.3.2.2 Hình thức nối tiếp và tiêu năng sau đập tràn: 13

1.3.3 Tính toán ổn định đập bê tông trọng lực: 17

1.3.3.1 Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực: 17

1.3.3.2 Tính toán ổn định của đập bê tông trên nền đá: 18

1.3.3.3 Tính toán độ bền của nền đập: 18

1.3.4 Tính toán thấm dưới đáy đập bê tông trọng lực: 19

1.3.4.1 Cơ sở lý thuyết thấm 19

1.3.4.2 Phương pháp giải bài toán thấm 20

1.3.4.3 Giải pháp xử lý thấm cho công trình 26

1.4 Tổng quan chung về khu vực nghiên cứu 27

1.4.1 Điều kiện tự nhiên: 27

1.4.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên: 27

1.4.1.2 Đặc điểm khí tượng, thủy văn: 28

1.4.1.3 Đặc điểm thủy văn: 28

1.4.2 Hệ thống thủy lợi, thủy điện khu vực nghiên cứu 30

1.4.2.1 Công trình Thủy lợi - Thủy điện Quảng Trị 30

1.4.2.2 Công trình thủy điện Hạ Rào Quán 30

1.4.2.3 Công trình thủy điện Đak Rông 1 30

1.4.2.4 Công trình thủy điện Đak Rông 2 31

1.4.2.5 Công trình thủy điện Đak Rông 3 31

1.4.3 Hệ thống thủy lợi Nam Thạch Hãn 31

Chương 2 - ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG ĐẬP TRÀN THÁO LŨ NAM THẠCH HÃN 33

2.1 Đánh giá hiện trạng tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn 34

2.1.1 Quá trình xây dựng và tình hình hư hỏng 34

2.1.2 Hiện trạng hư hỏng một số hạng mục chính của tràn 37

2.2 Phân tích, đánh giá các nguyên nhân hư hỏng tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn 39 2.2.1 Nguyên nhân do khảo sát 40

2.2.2 Nguyên nhân do thiết kế 40

2.2.3 Nguyên nhân do thi công 42

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO CÔNG TRÌNH TRÀN THÁO LŨ NAM THẠCH HÃN 43

3.1 Cơ sở đề xuất giải pháp và các tài liệu phục vụ tính toán 43

3.1.1 Cơ sở đề xuất giải pháp 43

3.1.2 Các tài liệu phục vụ tính toán 43

3.1.2.1 Tài liệu khảo sát địa hình và địa chất 43

3.1.2.2 Tài liệu phục vụ tính toán thủy văn 43

3.1.3 Kết quả tính toán thủy văn 44

3.1.3.1 Các đặc điểm địa lý thủy văn của khu vực 44

3.1.3.2 Tài liệu khí tượng 44

3.1.3.3 Tài liệu thuỷ văn 45

3.1.3.4 Tính toán và kiểm tra lại dòng chảy lũ thiết kế, lũ kiểm tra 47

3.2 Tính toán thủy lực tràn xả lũ hiện trạng 49

3.2.1 Các thông số tràn xả lũ 49

3.2.2 Tiêu chuẩn và tài liệu tính toán 49

3.2.3 Quan hệ lưu lượng lũ Q với mực nước Z HL 49

3.2.4 Hệ số lưu lượng, năng lực xả và mực nước thiết kế của tràn 52

3.2.4.1 Xác định hệ số lưu lượng m của tràn 52

3.2.4.2 Xác định năng lực xả của tràn 52

3.2.4.3 Xác định các mực nước thiết kế của hồ chứa 54

3.2.5 Tính toán kiểm tra chế độ thủy lực hạ lưu tràn 54

3.2.5.1 Đường mực nước sau ngưỡng tràn và chế độ chảy ở hạ lưu 54

3.2.5.2 Tính toán chế độ thủy lực khi lòng sông chưa bị xói 56

3.2.5.3 Tính toán chế độ thủy lực khi lòng sông bị xói như hiện nay 57

3.3 Tính toán xác định các thông số của công trình tiêu năng, tràn tháo lũ 59

3.3.1 Giải pháp công trình Bể tiêu năng 59

3.3.2 Giải pháp công trình Tường kết hợp bể tiêu năng 62

3.3.2.1.Sơ đồ thủy lực phương án 62

3.3.2.2 Tính toán xác định chiều cao tường C (bể tiêu năng số 1) 62

3.3.2.3 Tính toán bể tiêu năng số 2 (sau tường tiêu năng) 64

3.3.2.4 Kết quả tính toán các thông số thủy lực ở sân tiêu năng và hạ lưu tường 65

3.4 Phân tích lựa chọn phương án hợp lý 67

3.4.1 Phương án bể tiêu năng 67

3.4.2 Phương án Tường kết hợp bể tiêu năng 67

3.4.3 Lựa chọn Phương án đề xuất áp dụng: 68

3.5 Biện pháp xử lý, gia cố nền đập tràn 68

3.5.1 Những yêu cầu chung của công tác xử lý nền đập 68

3.5.2 Thiết kế khoan phụt 69

3.6 Tính toán kiểm tra thấm dưới đáy tràn tháo lũ 72

3.6.1 Phương pháp tính thấm 72

3.6.2 Mục tiêu tính toán 72

3.6.3 Các trường hợp tính toán 72

3.6.4 Số liệu phục vụ tính toán 73

3.6.5 Sơ đồ mặt cắt tính toán 73

3.6.6 Kết quả tính toán kiểm tra thấm 73

3.7 Tính toán kiểm tra ổn định công trình 77

3.7.1 Mục tiêu tính toán ổn định 77

3.7.2 Số liệu phục vụ tính toán 77

3.7.3 Các trường hợp tính toán: 78

3.7.4 Phương pháp tính toán 78

3.7.5 Kết quả tính toán 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

Tiếng Việt 90

Tiếng Anh 90

Internet 90

GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP TRÀN THÁO LŨ

NAM THẠCH HÃN, TỈNH QUẢNG TRỊ Học viên: Phạm Hồng Lợi Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số : 60.58.02.02 Khóa 34 Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Tóm tắt : Hệ thống thủy lợi Nam Thạch Hãn có nhiệm vụ tưới cho 13.867 ha đất canh tác

của huyện Triệu Phong, huyện Hải Lăng và thị xã Quảng Trị; tạo nguồn cấp nước cho 200 ha nuôi trồng thuỷ sản và cấp nước sinh hoạt cho 86.000 người của thị xã Quảng Trị Hệ thống được xây dựng từ năm 1978, chính thức đưa vào khai thác, sử dụng từ năm 1990; sau gần 30 năm khai thác, công trình đã xuất hiện nhiều hư hỏng nặng nề như sân tiêu năng sau tràn bị xói với chiều sâu hố xói từ 2-3 m, mặt tràn bị phá vỡ kết cấu bản mặt, dòng thấm xuất hiện dưới đáy tràn gây mất ổn định cho công trình, đe doạ nghiêm trọng đến tính mạng, tài sản của nhân dân và cũng như suy giảm năng lực cấp nước cho sản xuất nông nghiệp và dân sinh của tỉnh Quảng trị

Đề tài đã Đánh giá được thực trạng và mức độ an toàn của công trình đập tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn trên cơ sở xem xét các yếu tố chủ yếu như : Địa hình, địa chất, thủy văn, chế độ thủy lực, hình thức tiêu năng, dòng thấm và kết cấu của công trình v.v xác định được các nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đối với công trình tràn tháo lũ Từ đó đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn cho công trình đập tràn lũ Nam Thạch Hãn như sau: Điều chỉnh hình thức nối tiếp và tiêu năng sau tràn thành dạng Tường kết hợp Bể tiêu năng; chống thấm dưới đáy tràn bằng cách Khoan phụt chống thấm và gia cố nền tràn v.v Giải pháp này cơ bản đã giải quyết được các tồn tại trước đây và đảm bảo được an toàn cho công trình đập tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn

THE SOLUTIONS TO THE SAFETY ASSURANCE FOR NAM THACH HAN WORKS

OF FLOOD DISCHARGE SPILLWAY,QUANG TRI PROVINCE

Summary – Nam Thach Han hydraulic system is responsible for watering 13,867 hectares

of farmland in Trieu Phong, Hai Lang districts and Quang Tri town, supplying farming water for

200 hectares of aquaculture and living for 86 thousand people in Quang Tri town The system was built in 1978 and it was officially in use in 1990 After almost 30 years of exploitation , there have been appeared many severe damages They are as follows: the stlling yard in the back of the spillway was eroded with the hole depth from 2 to 3 metres; The floor structure of the spillway was destroyed; The seepage appered in the bottom of the spillway These caused the the instabilization for the works, severely threatened to people’s lives, assets as well as the water supplying capacity for agricuture and living in Quang Tri province

The topic has evaluated the reality and the safety level of Nam Thach Han flood discharge spillway works based on the consideration of some main elements such as topographic, geological, hydrography, hydraulic mode, energy dissipation, seepage and the works structure…etc It has determined the main reasons damaging the works of flood discharge spillway Based on those above, the solutions are sugessted as follows: Adjust the serial form and energy dissipation behind the spillway to the form of wall in combination with stilling basin; waterproofing under the bottom of the spillway by waterproof spray drills and floor reinforcement etc These solutions basically solve privious remaining problems and insure the safety for Nam Thach Han flood discharge spillway works

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

1.1 Một số thông số chính tràn tháo lũ của công trình thủy lợi, thủy

1.2 Tình hình tài liệu khí tượng trên lưu vực sông Thạch Hãn và lân cận 27

1.4 Các thông số chủ yếu của hệ thống thủy lợi Nam Thạch Hãn 30

3.2 Tài liệu khí tượng trên lưu vực sông Thạch Hãn và lân cận 44

3.7 Quan hệ Q- Zhl tính toán năm 1977 và hiệu chỉnh năm 1986 49

3.11 So sánh lưu lượng và mực nước dâng hồ chứa ở thiết kế trước đây

3.12 Tính toán độ sâu hc cuối dốc nước ứng với lưu lượng Q=7641 m3/s 54

3.13 Kết quả tính toán chế độ thủy lực ở hạ lưu tràn trường hợp lòng

3.14 Kết quả tính toán chế độ thủy lực ở hạ lưu tràn trường hợp lòng 58

sông bị xói như hiện nay ở cao trình -6.5÷ -8.5m

3.15 Kết quả tính toán chế độ thủy lực phương án bể tiêu năng 60 3.16 Kết quả tính toán chế độ thủy lực phương án tường + bể tiêu năng 64 3.17 Kết quả tính toán chế độ thủy lực phương án tường + bể tiêu năng 65

3.20 Kết quả tính toán kiểm tra thấm sau khi áp dụng giải pháp đề xuất 74

1.10 Các đường quan hệ để xác định độ sâu của bể tiêu năng 16

1.20 Nút phụt đơn và nút phụt kép trong công nghệ khoan phụt 26

2.2 Mặt bằng tình hình xói ở tràn do lũ năm 1981 34

3.3 Quan hệ Q-Zhl thực tế đo đạc ở các trạn lũ 2001 đến 2016 50

3.4 Quan hệ Q-Zhl khi thiết kế ban đầu năm 1977, hiệu chỉnh năm

3.6 Sơ đồ thủy lực từ dốc nước đến hết sân tiêu năng và ở lòng sông

3.7 Sơ đồ thủy lực từ dốc nước đến hết sân tiêu năng và ở lòng

sông,trường hợp lòng dẫn bị xói, đáy sông ở -5.5 đến -7.5m 57 3.8 Sơ đồ thủy lực ở bể tiêu năng hạ lưu của sân tiêu năng 59

3.10 Hình thức kết cấu phương án làm bể tiêu năng ở sân sau tiêu năng 66

3.11 Hình thức kết cấu phương án làm tường cuối sân tiêu năng và bể

3.13 Sơ đồ tính toán thấm tràn sau khi áp dụng giải pháp đề xuất 73

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Quảng Trị là một trong sáu tỉnh thuộc vùng Duyên hải Bắc Trung Bộ, có tổng diện tích tự nhiên 4.739,82 km2 là một trong những tỉnh nghèo của Việt Nam Quảng Trị hiện nay có 01 thành phố, 01 thị xã và 08 huyện, trong đó có 01 huyện đảo; phía Bắc giáp tỉnh Quảng Bình, phía Nam giáp tỉnh Thừa Thiên Huế, phía Tây giáp nước Cộng hòa Dân chủ nhân dân Lào và phía Đông giáp Biển Đông với hơn 75 km bờ biển

Vị trí địa lý trên đã tạo điều kiện thuận lợi cho Quảng Trị giao lưu và phát triển kinh

tế, đồng thời cũng tạo cho Quảng Trị nhiều khó khăn do chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai như bão, lũ lụt

Hệ thống sông Thạch Hãn là hệ thống sông có diện tích lưu vực lớn nhất trong

3 hệ thống sông chính của tỉnh Quảng Trị, gồm sông Thạch Hãn (2800 km2), sông Bến Hải (963 km2) và sông Thác Ma - Ô Lâu (847 km2)

Hệ thống thủy nông Nam Thạch Hãn được xây dựng tháng 3/1978 Công trình vừa khai thác vừa thi công, đến tháng 9/1990 mới hoàn thành và bàn giao cho tỉnh Quảng Trị Hệ thống sử dụng lượng nước của sông Thạch Hãn và các hồ thượng nguồn Với nhiệm vụ cấp nước tưới cho 13.867 ha đất canh tác của 3 huyện thị (Triệu Phong, Hải Lăng, TX Quảng Trị), tạo nguồn cung cấp cho 200 ha đất nuôi trồng thủy sản vùng đất nhiễm mặn và cấp nước sinh hoạt cho 86.000 người trong hệ thống nước sạch thị xã Quảng Trị

Trong suốt quá trình vận hành khai thác, mặc dù đã nhiều lần được đầu tư sửa chữa, nâng cấp nhưng công trình vẫn tiềm ẩn nhiều rủi ro, nguy cơ mất an toàn là rất lớn Một trong những nguyên nhân sự cố là chế độ thủy văn và thủy lực của đập tràn chưa phù hợp với thực tế Mực nước thượng và hạ lưu Đập tràn Nam Thạch Hãn có sự sai lệch rất lớn giữa giá trị tính toán và kết quả quan trắc thực tế, mà sự sai lệch này lại thiên về hướng rất bất lợi có thể gây ra mất an toàn cho công trình

Do xác định sai cột nước thiết kế và mức nước ở hạ lưu dẫn đến sự thay đổi chế

độ thủy lực hạ lưu đập tràn, nên khi thiết kế đã xác định sai chế độ thủy lực nối tiếp sau đập tràn, thay vì nước nhảy ngập và phóng xa lại cho là chảy ngập, hình thức tiêu năng là bể tiêu năng thì lại chọn hình thức sân tiêu năng, do đó năng lượng chỉ tiêu hao được <30% trong phạm vi sân tiêu năng, còn lại >70% năng lượng chưa bị tiêu hao hết

đã phá hoại mãnh liệt hạ lưu đập tràn trên suốt chiều dài kênh xả

Hình 1: Vị trí công trình Đập tràn Nam Thạch Hãn trên bản đồ khu vực

TX.Quảng Trị

Hình 2: Hiện trạng kết cấu Đập tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn, TX.Quảng Trị

Hàng năm tỉnh Quảng Trị là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nặng

nề của lũ lụt, chủ yếu là do lũ hệ thống sông Thạch Hãn gây ra Trong đợt mưa lũ từ ngày 13 đến ngày 17/10/2017, nước qua tràn xả lũ Nam Thạch Hãn đã làm phá vỡ phần kết cấu sân tiêu năng phía bờ Nam với diện tích gần 1000 m2, chiều sâu trung bình 2m, chỗ sâu nhất là 3,5m, nhiều vị trí khác phần bê tông mặt tràn đã bị phồng rộp

và lún sập; quan sát thấy phần cát sỏi khoan phụt xử lý nền đá bị cuốn trôi, phía dưới nền bê tông tạo ra nhiều hang rỗng Ngoài ra, phần xử lý tiếp giáp với lòng sông, kết cấu bằng đá xây đã bị sập, nhiều chổ bị xói rỗng vào sân sau tràn

Chính vì vậy việc nghiên cứu giải pháp đảm bảo an toàn cho công trình đập tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn, Thị xã Quảng Trị là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt trong điều kiện Biến đổi khí hậu khắc nghiệt như hiện nay

2 Mục tiêu của Đề tài

Mục tiêu của đề tài là phân tích, xác định nguyên nhân gây mất an toàn của công trình đập tràn Nam Thạch Hãn để từ đó đề xuất giải pháp hợp lý đảm bảo an toàn cho công trình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các đặc trưng khí tượng thủy văn, điều kiện địa hình, địa chất, chế độ thủy lực, ổn định và thấm của tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn

- Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ khu vực xây dựng công trình đầu mối, thượng lưu, hạ lưu có ảnh hưởng do tác động của công trình

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

- Cách tiếp cận: Tiếp cận tổng hợp trên cơ sở khảo sát, công trình thực tế, các tài liệu có liên quan, từ những đề tài, dự án đã được nghiên cứu trước đây

- Phương pháp nghiên cứu:

+ Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập: Điều tra, khảo sát thực tế hiện trạng công trình, thu thập các tài liệu, số liệu liên quan đến hiện trạng, thiết kế, thi công, quản lý vận hành và sửa chữa công trình

+ Phương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu có liên quan

+ Phương pháp tổng hợp, phân tích, đánh giá: Tổng hợp các tài liệu, số liệu đã thu thập được như hồ sơ thiết kế, thi công, vận hành, từ đó phân tích, đánh giá hiện trạng công trình, xác định các nguyên nhân

+ Phương pháp thực nghiệm: Thông qua việc đo đạc thực tế trong quá trình quản lý, vận hành công trình làm cơ sở kiểm chứng thực tế cho kết quả nghiên cứu

+ Phương pháp sử dụng mô hình, phần mềm tính toán địa kỹ thuật để tính toán

5 Kết quả đạt được

- Đánh giá được thực trạng và mức độ an toàn của công trình đập tràn tháo lũ tháo lũ Nam Thạch Hãn trên cơ sở xem xét các yếu tố về thủy văn, chế độ thủy lực và tiêu năng của công trình;kết cấu của công trình

- Xác định được các nguyên nhân chính gây ra hư hỏng đối với công trình tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn

- Đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn cho công trình đập tràn lũ Nam Thạch Hãn

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiển

- Ý nghĩa khoa học: Luận văn đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu cả truyền thống và hiện đại để xác định được nguyên nhân chính gây mất an toàn cho công trình đập tràn tháo lũ Nam Thạch Hãn Đã sử dụng phần mềm địa kỹ thuật SEEP/W trong bộ GEO-SLOPE Office để xác định mức độ thấm dưới đáy công trình một cách chính xác

- Ý nghĩa thực tiển: Đã đề xuất được giải pháp đảm bảo an toàn cho công trình đập tràn Nam Thạch Hãn, góp phần để đảm bảo cấp nước tưới tiêu cho 13.867 ha đất canh tác của 3 huyện thị (Triệu Phong, Hải Lăng, TX Quảng Trị), tạo nguồn cung cấp cho 200 ha đất nuôi trồng thủy sản vùng đất nhiễm mặn và cấp nước sinh hoạt cho 86.000 người trong hệ thống nước sạch thị xã Quảng Trị

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐẦU MỐI CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

1.1 Tình hình xây dựng của các đập tràn dâng nước và tràn tháo lũ trên thế giới

Theo thống kê của Uỷ ban đập nước thế giới (World Commission on Dams - WCD) vào năm 1998, trên thế giới đã xây dựng được 47.655 đập cỡ lớn ở 140 nước Hình 1.1 biểu thị số lượng và phân bố các đập lớn tại các vùng trên thế giới [3]

Hình 1.1: Phân bố các đập lớn ở các vùng trên thế giới vào cuối thế kỷ XX

Thời gian xây dựng các đập dài, thường từ 5 ÷ 10 năm và trung bình mỗi năm trên thế giới có khoảng 160 đến 320 đập được xây dựng mới Vào những năm 70, việc xây dựng đập tăng lên nhanh chóng; trên thế giới nhiều lúc có đến 2 hay 3 đập lớn được hoàn thành Hình 1.2 biểu thị tốc phát triển xây dựng các đập tại một số vùng trên thế giới đến cuối thế kỷ XX Vào những năm 90 trung bình mỗi năm chi phí khoảng 2 – 46 tỉ USD để xây dựng các đập lớn, mà 4/5 số đập ở các nước đang phát triển với kinh phí đầu tư 22 – 31 tỉ USD [3]

Asia North America Europe

Afica South America Austral - Asia

Đối với Việt Nam, cho đến nay vẫn là một đất nước có nền kinh tế nông nghiệp, tài nguyên nước có ý nghĩa quyết định trong sự phát triển bền vững của đất nước Lịch

sử hình thành và phát triển của dân tộc Việt Nam gắn liền với sự hình thành của hệ thống đê điều chống lũ hàng ngàn năm với hệ thông kênh rạch để mở mang vùng đất mới, phát huy mặt lợi của nước, hạn chế mặt hại để tồn tại và phát triển Cũng chính nhờ lợi thế đó, một nền văn minh lúa nước đã hình thành từ nghìn năm ở Đồng bằng sông Hồng và di cư vào Đồng bằng sông Cửu Long 300 năm trước đây

Tuy vậy, nhưng do đặc điểm lịch sử mà sự phát triển của các hệ thống đầu mối thuỷ lợi ở nước ta chậm hơn so với các nước phát triển trên thế giới Từ khi nước Việt Nam dân chủ cộng hoà ra đời nhất là sau khi hoà bình lập lại, thuỷ lợi nước ta mới thực sự trở thành một ngành thuộc kết cấu hạ tầng kinh tế – xã hội được ưu tiên đầu tư Đến nay cả nước có khoảng trên 750 hồ chứa, đập cỡ vừa và lớn, trên 1000 hồ chứa, đập cỡ nhỏ [3] Các hệ thống thuỷ lợi của nước ta có thể kể đến như hệ thống thuỷ lợi Đại Lải, Cấm Sơn, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Sông Mực, Dầu Tiếng, Thạch Nham hay các công trình sử dụng tổng hợp nguồn nước như Thuỷ điện Hoà Bình, Thác Bà, Đa Nhim, Trị An, Yaly, Yazun Hạ, Vĩnh Sơn, Thác Mơ…

Từ đó đến nay, tốc độ xây dựng các hệ thống đầu mối thuỷ lợi, thuỷ điện nước

ta phát triển khá mạnh Nhà nước đã tập trung đầu tư xây dựng các hồ chứa lớn đa mục tiêu như: thuỷ điện Tuyên Quang, Cửa Đạt, Play Krông, Sê San 3, Sê San 4, Sơn La,…

sẽ nhanh chóng đưa và sử dụng trong những năm tới

1.1.1 Một số thông số chính về các công trình thủy lợi, thủy điện hiện có ở Việt Nam

Gắn liền với các hệ thống đầu mối thuỷ lợi nêu trên là các công trình tháo lũ (CTTL) xã nước mặt, làm nhiệm vụ tháo phần nước lũ không thể chứa trong hồ, có khi chúng còn được đặt ở dưới sâu và đảm nhận thêm việc tháo cạn một phần hay toàn bộ

hồ chứa khi cần thiết kiểm tra hoặc sửa chữa

Có công trình tháo lũ hồ chứa mới làm việc được bình thường và an toàn Vốn đầu tư để xây dựng CTTL phụ thuộc vào quy mô và điều kiện cụ thể của từng công trình, nói chung nó chiếm một tỷ lệ khá lớn trong tổng vốn đầu tư xây dựng hệ thống đầu mối, có khi tới (70 ÷ 80)% Vì vậy mà chúng thường xuyên được quan tâm cân nhắc rất kỹ lưỡng trong thiết kế, thi công các hệ thống đầu mối thuỷ lợi

CTTL trên các hệ thống đấu mối thuỷ lợi rất đa dạng Bảng 1-1 thống kê chi tiết một số thông số chính của một số CTTL ở nước ta; các hình từ Hình 1.3 đến Hình 1.6 thể hiện một số hình ảnh về các CTTL trên các hệ thống đầu mối thuỷ lợi nước ta

Bảng 1-1: Một số thông số chính tràn tháo lũ của công trình thủy lợi, thủy điện có

quy mô vừa và lớn ở Việt Nam

5 Nước Trong Quảng Ngãi Đập tràn-Bể Tiêu Năng 14 62.5 6728

8 Đồng Nai 4 ĐắcNông, L.Đồng Dốc nước, mũi phun 16 75 13300

15 Sê San 3A Gia Lai, Kon Tum Đập tràn-Bể Tiêu Năng 17.76 105 1800

16 Bình Điền T Thiên Huế Đập tràn, mũi phun 12.96 50 4519

19 Sê San 4 Gia Lai, Kon Tum Đập tràn, mũi phun 15.6 120 20090

Hình 1.3: Tràn tháo lũ CT thủy điện Yaly Hình 1.4: Tràn tháo lũ CT thủy điện Trị An

(Gia Lai – Việt Nam)

Hình 1.5: Tràn tháo lũ CT thủy điện Hòa Bình Hình 1.6: Mô hình tổng thể hồ chứa nước

Cửa Đạt

1.1.2 Nhận xét về tình hình xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện trên thế

giới và ở Việt Nam

- Về sự ra đời và tốc độ phát triển: Công trình thủy lợi đã xuất hiện từ 3000

năm trước công nguyên, phát triển theo yêu cầu của nền kinh tế và sự phát triển của

Khoa học – Kỹ thuật, bắt đầu phát triển mạnh từ nữa sau thế kỷ XX Phát triển mạnh ở

các nước Châu Âu và Bắc Mỹ trước những năm 1980, từ năm 1980 đến nay phát triển

mạnh ở Châu Á, nhất là ở Trung Quốc Ở Việt Nam, bắt đầu phát triển từ sau năm

1945 và phát triển mạnh từ sau những năm 1998

- Về tính đa dạng cũng như quy mô của công trình

Có thể thấy rằng tính đa dạng về hình thức công trình ngày càng nhiều hơn,

cũng như quy mô ngày càng lớn hơn rất nhiều Từ những đập chỉ cao vài chục mét thì

ngày nay đã có những đập cao đến vài trăm mét, tương ứng với nó thì dung tích hồ

chứa, lưu lượng xả qua các công trình tháo nước cũng tăng lên rất nhiều Với những

công trình tháo nước có lưu lượng xả lớn thì việc tính toán khi thiết kế cũng như lựa chọn hình thức công trình phải được xem xét chi tiết, kỹ lưỡng hơn để đảm bảo sự an toàn cho cả hệ thống công trình đầu mối

1.2 Phân tích, đánh giá các nguyên nhân mất an toàn cho công trình thủy lợi (tập trung chủ yếu cho công trình đập tràn )

Đối với công trình thủy lợi nói chung cũng như đối với đập tràn nói riêng thì sự

cố công trình có những đặc điểm sau đây:

Do một hoặc nhiều nguyên nhân gây ra, trong đó có khảo sát (địa hình, địa chất công trình, địa chất thủy văn, thủy văn công trình), thiết kế (thủy công, cơ khí, điện), chế tạo, lắp đặt, thi công và quản lý khai thác Thực tế về sự cố đã xảy ra ở các công trình thủy lợi ở nước ta cho thấy rằng, trong các nguyên nhân đó các nguyên nhân phổ biến là: khảo sát, thiết kế, thi công và quản lý vận hành

Các hạng mục công trình xảy ra sự cố có cả các công trình đầu mối, hệ thống kênh, công trình thủy công cũng như cơ điện Sự cố lớn thường xảy ra đối với các công trình thủy công

Sự cố xảy ra không phải chỉ có ngay sau khi hoàn thành công trình, mà thường

là sau nhiều năm Tuy nhiên, sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra khi gặp lũ cực lớn và trong quá trình thi công; hoặc ở năm tích nước đầu tiên, xả lũ đầu tiên Những

sự cố nghiêm trọng khác là do sự cố nhỏ, xảy ra từ từ nhưng không được xử lý, để tiếp diễn lau ngày tích tiểu thành đại

Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột, trong một thời gian rất ngắn, không kịp ứng phó

Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng, việc xử lý rất tốn kém, gây ra tổn thất lớn về tính mạn, tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia, có ảnh hưởng xấu về kinh tế, và đối với những sự cố lớn và nghiêm trọng còn ảnh hưởng xấu đến tình hình

xã hội

Sau đây sẽ trình bày cụ thể hơn về nguyên nhân gây ra sự cố công trình đập tràn:

1.2.1 Nguyên nhân do khảo sát

Khảo sát địa chất nền không kỹ, không đánh giá đúng các khả năng xói ngầm,

không phát hiện hết các khe nứt để xử lý, không đánh giá hết những tính chất bất lợi của nền, ví dụ như nền đá serixit bị phong hóa rất nhanh sau khi phơi lộ ra không khí; trong nền có các khe nứt kiến tạo không được phát hiện và xử lý, khi xây công trình lên cũng dễ bị lún, nứt

1.2.2 Nguyên nhân do thiết kế

Tính toán thủy văn, tính toán thủy lực chưa chính xác (đó là xác định sai lưu lượng lũ xả, sai mực nước hạ lưu) gây ra xói hạ lưu công trình tháo lũ (CTTL); Do chọn các hệ số không chính xác khi thiết kế (hệ số co hẹp, hệ số lưu lượng…) dẫn đến CTTL không đủ khả năng tháo;

Tính toán đường viền thấm không hợp lý, do không tính hoặc tính không đúng thấm vòng quanh bờ mà tạo nên thấm mạnh quá giới hạn mở mang tràn; hiện tượng này gây xói ngầm ở mang tràn, mất nước;

Tính toán thiết kế chưa xét hết các trường hợp bất lợi của công trình, trong đó

có các trường hợp thiết bị chống thấm bị hư hỏng, thiết bị thoát nước bị tắc, trường hợp có động đất theo các hướng khác nhau, dẫn đến các hư hỏng do dòng thấm ở nền: Dòng thấm gây xói ngầm cơ học (đối với nền đất), xói ngầm hóa học (đối với nền đá) làm cho nền bị rỗng cục bộ, kết cấu phần trên (ngưỡng tràn, tường chắn, dốc nước )

bị nghiêng, lật, nứt Thiết bị chống thấm trong nền bị hư hỏng làm tăng áp lực đẩy nổi lên đáy đập tràn, trong những điều kiện nhất định có thể làm cho ngưỡng tràn bị phá hoại (lật, trượt )

Tính toán chưa đánh giá đầy đủ khả năng nền bị lún, lún không đều làm nghiêng, lật công trình Tính toán ổn định mái: Số liệu đầu vào không đầy đủ và chính xác (về địa tầng, mực nước ngầm, chỉ tiêu cơ lý của lớp đất, không khảo sát cập nhật

số liệu mới ), sơ đồ tính toán chưa phản ánh đúng thực tế, chưa xét hết các trường hợp bất lợi, đặc biệt là khi mưa lớn kéo dài làm giảm khả năng chống trượt của mái

Các thông số để tính toán áp lực lên kết cấu lấy không chính xác (tài liệu về đất đắp, đất nền), chưa mô phỏng đúng sơ đồ kết cấu, chưa tính hết các trường hợp làm việc bất lợi khi tính kết cấu, bố trí ống thép theo kinh nghiệm, không thông qua tính toán, thiếu bản vẽ chi tiết về ống thoát nước, tầng lọc ở tường chắn dẫn đến các sự cố công trình do nguyên nhan về vật liệu, kết cấu như gãy đổ, nứt bản các kết cấu, bong tróc lớp bê tông bảo vệ để lộ cốt thép, kết cấu bị sạt trượt, nghiêng, lật

1.2.3 Nguyên nhân do thi công:

Đơn vị thi công không thực hiện nghiêm chỉnh các yêu cầu trong bản vẽ thiết kế

và hướng dẫn thi công, các đơn vị giám sát không thực hiện đầy đủ trách nhiệm, để lọt các sai sót trong thiết kế và thi công, không nghiêm túc trong kiểm định và nghiệm thu

Một số sai sót hay gặp khi thi công tràn xả lũ: Chưa kiểm soát chặt chẽ kích thước và độ bền vật liệu làm bể tiêu năng, sân sau; Thi công tầng lọc dưới bể tiêu năng không được kiểm soát chặt chẽ, dẫn đến tầng lọc bị tắc, làm tăng áp lực đẩy ngược lên công trình; Đắp đất 2 bên tường cánh hạ lưu không đạt độ chặt yêu cầu; Gia

cố mái hai bên tường cánh hạ lưu không đạt yêu cầu thiết kế; Các phế thải xây dựng còn tồn đọng ở thiết bị tiêu năng Đặt cốt thép tường, bản đáy không đúng theo yêu cầu thiết kế, kích thước tường, bản đáy, mác vật liệu (bê tông) tường, bản đáy không đạt yêu cầu, đất đắp hố móng, lưng tường chắn không đầm chặt theo yêu cầu kỹ thuật; Trong khi xử lý nền : Bóc bỏ chưa hết các lớp yếu, không phát hiện và xử lý hết các khe nứt kiến tạo, hoặc có xử lý, nhưng chưa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

1.2.4 Nguyên nhân do Quản lý vận hành

Không có quy trình vận hành; Có quy trình vận hành nhưng không đầy đủ và chặt chẽ, người vận hành có thể áp dụng tùy tiện; Hoặc có quy trình vận hành tốt nhưng người vận hành không tuân thủ đầy đủ;

Không tổ chức bảo vệ công trình một cách nghiêm ngặt, để cho dân tự ý chăn thả gia súc, đào bắt thủy sản ở khu vực bể tiêu năng, sân sau làm cho công trình bị biến dạng, dẫn đến bị xói lở khi CTTL làm việc; Không kịp thời kiểm tra và khắc phục những hư hỏng nhỏ ở hệ thống tiêu năng trước khi mùa lũ đến

Chưa thực hiện thường xuyên công tác quan trắc, giám sát sự làm việc của vật liệu, kết cấu Hoặc khi phát hiện ra hư hỏng, sự cố nhỏ không kịp thời khắc phục; Không phát hiện kịp thời và xử lý phù hợp các ẩn họa trong nền và thân đập

Kết cấu hạng mục công trình chịu tải vượt quá thiết kế

1.3 Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế công trình

Để tính toán thiết kế đập tràn tháo lũ, ngoài công tác khảo sát địa hình, địa chất, cần phải tính toán thủy văn, thủy lực, thủy công, biện pháp tổ chức thi công Dưới đây chỉ trình bày một số nội dung về tính toán thủy văn, thủy lực, ổn định liên quan đến nội dung tính toán trong luận văn

1.3.1 Tính toán thủy văn

Nhiệm vụ của tính toán thủy văn là dự báo các đặc trưng thủy văn có thể xảy ra cho công trình trong thời gian thi công và vận hành, cung cấp cơ sở cho thiết kế công trình [4]

1.3.1.1 Tính toán lưu lượng đỉnh lũ:

Lưu lượng đỉnh lũ được tính toán theo phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng mô hình; trong phạm vi luận văn, kế thừa tài liệu thủy văn được tính toán theo truyền thống

Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế tại tuyến đập Nam Thạch Hãn được tính toán theo hai phương pháp:

Theo phương pháp Triết giảm

Lưu vực tương tự được chọn là lưu vực trạm thủy văn Gia Vòng trên sông Bến Hải, diện tích lưu vực là Fa = 267 km2 Tại đây đo dòng chảy từ 1977 đến nay (2015), chất lượng tài liệu tốt Tại Gia Vòng đã tính được các giá trị lưu lượng đỉnh lũ ứng với các tần suất thiết kế, trên cơ sở kết quả phân tích tần suất, dựa vào số liệu thực đo thời

kỳ 1977-2015 Sử dụng kết quả lưu lượng lũ theo tần suất thiết kế trạm Giá Vòng thu phóng về lưu vực khu giữa đập Nam Thạch Hãn - Đăk Rông 2 - Hạ Rào Quán với hệ

số triết giảm n=0.25 (QP.TL.C-6-77)

Từ kết quả tính toán lũ cho khu giữa, kết hợp với quá trình xả lũ từ thủy điện

Hạ Rào Quán và Đăk Rông 2 tính toán được lưu lượng đỉnh lũ theo tần suất thiết kế tại tuyến đập Nam Thạch Hãn

Phương pháp : Tính theo công thức Xôkôlôpski

Qmaxp = 0.278**(Ht - Ho)*f*F/tl + Qng

Trong đó:

 : Hệ số dòng chảy lũ, theo khu vực

Ht : Lượng mưa tính toán (mm)

Ho : Lớp nước tổn thất ban đầu

f : Hệ số hình dạng lũ, theo lưu vực tương tự

F : Diện tích lưu vực (km2)

tl : Thời gian lũ lên (giờ)

Qng : Lưu lượng nước trong sông trước khi có lũ, có thể lấy bằng lưu lượng bình quân nhiều năm đối với lưu vực lớn, hoặc có thể bỏ qua đối với lưu vực bé

So sánh kết quả tính toán Qmax.p để chọn lưu lượng đỉnh lũ

Q: Lưu lượng ứng với mực nước (m3/s)

n: Hệ số nhám lòng sông

R: Bán kính thuỷ lực

: Diện tích mặt cắt ngang ứng với các cấp mực nước (m2)

J: Độ dốc mặt nước (‰),

So sánh kết quả tính toán lưu lượng ứng với các cấp mực nước được so sánh với

số liệu quan trắc thực tế; Nhận xét kết quả tính toán và đề xuất quan hệ Q = f(Z) dùng trong tính toán thủy lực công trình

1.3.2 Tính toán thủy lực cho tràn tháo lũ

Theo Quy trình tính toán thủy lực đập tràn theo TCVN 9147:2012 [5]; nội dung tính toán gồm Xác định khả năng tháo của đập tràn; hình thức nối tiếp và tiêu năng sau đập tràn

1.3.2.1 Xác định khả năng tháo của đập tràn:

Lưu lượng chảy qua đập tràn đỉnh rộng chảy không ngập tính theo biểu thức:

2 / 3 0

2

1

J R n

− m – hệ số lưu lượng

− H0: cột nước trên đỉnh đập tràn có kể đến lưu tốc tiến gần

Muốn tính Q theo biểu thức (1-2), cần phải xác định được các hệ số  và m

- Hệ số co hẹp bên  : Tùy thuộc vào dạng mép vào của trụ biên và hình dạng của trụ pin;

- Hệ số lưu lượng m : Theo N.N.Palôpxki, hệ số lưu lượng của đập tràn tính theo biểu thức m= mr.H.d

Trong đó : mr – hệ số lưu lượng dẫn xuất, xác định bằng thí nghiệm;

H - hệ số hiệu chỉnh cột nước, vì khi thiết kế mặt cắt đập dùng Htk, khi làm việc thì cột nước H trên đỉnh đập thay đổi;

Hình 1.7:Các hình thức nối tiếp dòng chảy ở hạ lưu

Dòng chảy ở trạng thái chảy đáy (hình 1.7b), lúc đó có thể là nước nhảy ngập hoặc nhảy xa Dòng chảy mặt không ngập (hình 1.7c) Dòng chảy mặt ngập (hình 1.7d) Dòng chảy ở hạ lưu là dòng chảy phóng xa (hình 1.7e)

Dòng chảy sau khi qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn, thường dùng biện pháp tiêu hao năng lượng bằng ma sát nội bộ dòng chảy để giảm khả năng xói lỡ dòng sông và dùng hình thức phóng xa làm cho nước hỗn hợp và ma sát với không khí có tác dụng tiêu hao năng lượng và giảm xói lở Để đạt được các mục đích ở trên, thường dùng các hình thức tiêu năng sau đây: tiêu năng dòng đáy; tiêu năng dòng mặt; tiêu năng dòng mặt ngập; tiêu năng phóng xa Nguyên lý cơ bản của các hình

thức tiêu năng trên là làm cho dòng chảy tiêu hao bằng ma sát nội bộ dòng chảy, phá hoại kết cấu dòng chảy bằng xáo trộn với không khí, khuếch tán theo phương đứng và

để giảm lưu lượng đơn vị các hình thức tiêu năng đó có liên quan lẫn nhau Khi mực nước hạ lưu thay đổi các hình thức đó có thể chuyển hóa lẫn nhau

Với mỗi hình thức nối tiếp khác nhau thì sẽ có các hình thức công trình tiêu năng khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn Dưới đây trình bày phương pháp tính toán tiêu năng dòng chảy đáy

b Tiêu năng dòng đáy:

Đặc điểm tiêu năng dòng đáy là lợi dụng sức cản nội bộ của nước nhảy, đó là hình thức thường dùng nhất Điều kiện cơ bản của hình thức tiêu năng này là chiều sâu nước ở hạ lưu phải lớn hơn chiều sâu liên hợp thứ hai của nước nhảy hh>h”c để đảm bảo sinh nước nhảy ngập và tiêu năng tập trung

Tiêu năng dòng đáy thường được dùng với cột nước thấp, địa chất nền tương đối kém Khi cột nước cao, h”c rất lớn, yêu cầu chiều sâu nước ở hạ lưu lớn, như vây phải đào sâu sân sau và cần được bảo vệ kiên cố hơn Lúc đó, hình thức tiêu năng đáy thường không kinh tế

Hình 1.8: Sơ đồ để tính tiêu năng dòng đáy

Để xác định chiều sâu co hẹp hc của dòng chảy, chiều sâu liên hợp h”c và chiều dài nước nhảy ln , tiến hành giải hệ phương trình sau:

) (

Hệ phương trình (1-3) và (1-4) có thể sử dụng để xác định hc trong cả hai trường hợp đập có cửa van và không có cửa van, cũng như đối với lòng sông có mặt cắt bất kỳ

Nói chung sau đập tràn phải đảm bảo có nước nhảy ngập h”c < hh ; nếu không người ta dùng biện pháp như đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp và các thiết bị tiêu năng khác, v.v… để tạo thành nước nhảy ngập Một số biện pháp và phương pháp tính toán như sau:

* Phương pháp xác định các thông số của Bể tiêu năng:

Sơ đồ tính toán bể tiêu năng được biểu thị ở hình 1-9 và được xem xét trong bài toán phẳng Nội dung gồm xác định chiều sâu bể và chiều dài bể

Xác định chiều sâu của bể tiêu năng:

- Giả thiết chiều sâu lý thuyết d0 của bể tiêu năng

- Tính được chiều sâu co hẹp tương ứng h’c

- Tính được chiều sâu liên hợp (h”c ) của h’c

Hình 1.9: Sơ đồ tính toán bể tiêu năng

- Sau khi có bể, dòng chảy cuối bể giống như đập tràn đỉnh rộng chảy ngập có

độ hạ thấp cột nước Z’ của dòng chảy

Sau khi xác định được (h”c ) và cho rằng h”c =h’h , ta có thể tìm được Z’:

- Xác định lưu tốc tiến gần v’0 cuối bể tiêu năng:

qt - lưu lượng đơn vị qua đập tràn;

Q - lưu lượng qua đập tràn;

B - chiều rộng đập tràn;

- Tính độ hạ thấp cột nước sau ngưỡng tràn (cuối bể) Z’0 có kể đến lưu tốc tới gần:

độ sâu (d0)t cần tìm của bể tiêu năng

h’h= hh + d0

Xác định độ sâu (d0)t cần tìm của bể tiêu năng theo biểu đồ 1.10

Hình 1.10: Các đường quan hệ để xác định độ sâu của bể tiêu năng

Xác định chiều dài bể tiêu năng:

Chiều dài bể Lbể yêu cầu lớn hơn hoặc bằng 0.8 lần chiều dài nước nhảy Ln Với chiều dài nước nhảy tính theo công thức Pavlopxki : Ln = 2.5(1.9h"c - hc)

* Phương pháp xác định các thông số Tường tiêu năng:

Sơ đồ tính toán như ở hình 1-11 Tường tiêu năng làm việc như một đập tràn và trạng thái chảy qua tường là chảy ngập nếu h’n>0 và chảy không ngập nếu h’n<0

Hình 1.11: Sơ đồ tính toán tường tiêu năng

Điều kiện ngập được xác định giống như đập tràn thành mỏng Nói chung, sau tường tiêu năng không cho phép có nước nhảy xa

Khi xác định chiều cao lý thuyết C0 của tường tiêu năng, nếu dòng chảy qua tường tiêu năng không ngập thì tính C0 trực tiếp; khi dòng chảy qua tường tiêu năng là chảy ngập thì tính C0 phải thử dần và bằng đồ thị như ở hình 1-12

Hình 1.12: Đường quan hệ q = f(C 0 ) Để xác định chiều cao tường tiêu năng

Chiều cao thực tế C của tường tiêu năng được xác định theo biểu thức :

1.3.3 Tính toán ổn định đập bê tông trọng lực:

1.3.3.1 Các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực:

a Các lực tác dụng bao gồm :

- Trọng lượng đập và các thiết bị đặt trên đó, G ;

- Áp lực thủy tỉnh, thủy động từ phía thượng lưu, hạ lưu;

- Áp lực thấm và đẩy nổi từ dưới đáy đập;

- Một số lực tác dụng khác bao gồm: Áp lực sóng; áp lực bùn cát từ phía thượng lưu; áp lực gió; lực sinh ra do động đất; tác dụng của nhiệt độ trong thời kỳ thi công và thời kỳ khai thác… (trong luận văn, khi tính toán không tính các lực này)

Trị số các lực và tác động được xác định theo các tài liệu chuyên môn

Hình 1.13: Sơ đồ các lực tác dụng lên đập bê tông trọng lực

- Trượt theo một mặt nào đó;

- Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt nào đó;

- Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức chịu tải của nền

F : Diện tích mặt tính toán Tính toán cho 1m dài công trình

C : Lực dính của bê tông với đá nền

m : Hệ số điều kiện làm việc [KT] : Hệ số chống trượt cho phép

c Tính toán ổn định về lật:

Kiểm tra lật công trình theo công thức:

L G

CL L

M

M

K =  [KL]

Trong đó :

MCL : Mômen chống lật lấy với điểm đáy hạ lưu; T.m

MGL : Mômen gây lật lấy với điểm đáy hạ lưu; T.m [KL] : Hệ số chống lật cho phép

1.3.3.3 Tính toán độ bền của nền đập:

Công thức kiểm tra ứng suất đáy móng theo:

x

y max

min

W

M F

b : Chiều rộng theo đáy đập (m)

e : Độ lệch tâm so với tâm mặt cắt tính toán (m) Điều kiện ổn định của nền đảm bảo khi :

ứng suất lớn nhất max < Rn của nền đá ứng suất nhỏ nhất min 0

1.3.4 Tính toán thấm dưới đáy đập bê tông trọng lực:

1.3.4.1 Cơ sở lý thuyết thấm

Nghiên cứu thấm qua nền nhằm mục đích xác định phân bố áp lực nước tác động lên đáy công trình cũng như lưu lượng thấm đơn vị, gradien thấm (J) qua nền công trình, từ đó đề ra các giải pháp phòng chống một cách hữu hiệu nhất

- Nguyên nhân gây thấm trong đất bão hòa nước là chênh lệch cột nước thủy lực (Gradient áp lực thấm) Với đất không bão hòa ngoài tác nhân chính là Gradient cột nước thủy lực, còn do gradient độ ẩm, gradient lực hút dính Ua – Uw Trong đó Ua

γw- trọng lượng riêng của nước

Do vận tốc dòng thấm v qua môi trường lỗ rỗng của đất nhỏ, nên thành phần

2

2

v g

có thể được bỏ qua, khi đó cột nước tổng được tính như sau:

- Môi trường thấm được phân loại theo tính chất của môi trường; Theo tính chất bảo hòa của môi trường;Theo đối tượng nghiên cứu thấm

Thấm qua công trình thủy lợi: Thấm qua bản thân công trình như thân đê, đập đất, thấm dưới nền, thấm vòng quanh bờ Trong thiết kế, quản lý vận hành các công trình, loại thấm này được đặc biệt chú ý và hoạt động của nó có thể làm giảm thậm chí làm mất ổn định mái dốc, mất ổn định công trình… Chỉ trên cơ sở xác định được các yếu tố đặc trưng của dòng thấm thì mới có thể quyết định được hình thức và kết cấu công trình

- Bài toán thấm được chia làm 2 loại là thấm tuyến tính và thấm phi tuyến: + Thấm tuyến tính: Lưu lượng của dòng thấm trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với chênh lệch cột nước, tiết diện dòng thấm và tỷ lệ nghịch với chiều dài dòng thấm

+ Thấm phi tuyến tính: Quan hệ giữa vận tốc thấm và gradient áp lực thấm không tuyến tính

1.3.4.2 Phương pháp giải bài toán thấm

Bài toán thấm là một trong những bài toán địa kỹ thuật rất phức tạp Hiện nay, bài toán thấm có thể được giải bằng phương pháp giải tích, phương pháp sử dụng lưới thấm và phương pháp mô hình Khi giải bài toán thấm cần phân tích kỹ đặc điểm, tính chất của môi trường thấm, trạng thái vận động của dòng thấm để lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp, đảm bảo độ tin cậy

b Phương pháp mô hình

Mô hình là phương pháp quan trọng để nghiên cứu và tính toán quá trình thấm nước trong môi trường đất, nó cho phép xét đến và đưa vào bài toán những hoàn cảnh điều kiện tự nhiên và kỹ thuật phức tạp khi giải các bài toán thấm Trước đây mô hình thấm chỉ được dùng để nghiên cứu một vài trường hợp đơn giản của dòng thấm tự nhiên hoặc để kiểm nghiệm một vài kết quả của phương pháp tính toán thấm, thì ngày nay được coi là một trong những phương pháp tin cậy nhất để giải quyết bài toán thấm

Có thể giải các bài toán thuận để dự báo sự biến đổi của áp lực và lưu lượng của dòng

thấm, hay bài toán ngược để xác định các điều kiện biên và thông số của môi trường thấm; có thể giải các bài toán thấm ở công trình cụ thể nào đó hoặc bài toán thấm khu vực, với sự tác dụng tổng hợp của hệ thống công trình và các nhân tố tự nhiên khác

Thực chất của phương pháp mô hình thấm là mô phỏng dòng thấm bằng những

mô hình toán học hoặc mô hình vật lý dựa vào sự tương tự về mặt toán học hoặc về mặt vật lý giữa quá trình thấm và các quá trình vật lý khác

c Phân tích thấm bằng mô hình số

* Phân tích thấm bằng mô hình sai phân hữu hạn

- Mô hình sai phân hữu hạn

Trong bài toán thấm phẳng, ổn định miền thấm được chia thành những ô hình chữ nhật có kích thước bằng nhau a x b như hình 1.14

Hinh 1.14: Sơ đồ lưới sai phân

Các đại lượng vi phân dh, dx, dy được chuyển thành những đại lượng sai phân tương ứng Δh, Δx, Δy Những đạo hàm riêng cấp một và cấp hai h; h; 2h2 ; 2h2

Trong đó x, y là tọa độ của điểm nút cần xét thuộc lưới

Việc tìm nghiệm của phương trình Δh = 0 chuyển thành việc giải một hệ phương trình đại số tuyến tính để tìm các giá trị h(x,y) tại những điểm nút

- Phân tích thấm bằng mô hình MODFLOW [11]

Mô hình MODFLOW (Mc Donald & Harbaugh) là mô hình sai phân hữu hạn;

là mô hình dòng thấm ba hướng và các lớp có thể là nước ngầm, nước có áp hay kết hợp cả hai Mô hình mô phỏng sự bổ sung nước, thoát - bốc hơi nước, bổ sung nước khu vực, dòng thấm tới giếng, dòng thấm tới thiết bị tiêu nước và dòng thấm qua đáy sông, cho phép mô tả khá đầy đủ các tính chất, hình thái của môi trường cũng như các hợp phần của bài toán thấm MODFLOW được lập với module riêng rẽ, độc lập; cho phép chọn các Module cần cho hệ riêng đang được nghiên cứu và có thể chọn các phương pháp giải khác nhau

r j

c i

k

TÇng chøa n-íc (K)

1 2 3 4

Biªn cña tÇng chøa n-íc

Hinh 1.15: Lưới sai phân và các loại ô trong mô hình

* Phân tích thấm bằng mô hình phần tử hữu hạn

- Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một cách tiếp cận khác với mô hình số của dòng nước dưới đất Miền thấm được chia thành các ô đa giác, có các khối (3D) có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với các biên và tính chất của dòng thấm Tại các nút, các giá trị chưa biết như cột nước sẽ được tính toán Giá trị cột nước bên trong mỗi phần tử được xác định bằng cách nội suy các điểm nút

Cơ sở toán học cho phương

pháp phần tử hữu hạn phức tạp hơn

nhiều so với phương pháp sai phân

hữu hạn Hầu hết các lời giải phần

tử hữu hạn dựa trên phương pháp

của Galerkin

Các mô hình phần tử hữu hạn tỏ ra có một số ưu việt hơn so với mô hình sai phân hữu hạn khi các bài toán có một biên di chuyển, chẳng hạn như khi mực nước ngầm dao động Mô hình phần tử hữu hạn còn có ưu điểm là linh hoạt hơn trong mô phỏng dạng hình học của môi trường thấm so với phương pháp sai phân hữu hạn và yêu cầu

số nút ít hơn

Với sự hỗ trợ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành thông dụng và là một công cụ mạnh để giải các loại bài toán thấm khác nhau: có áp và không áp, ổn định và không ổn định, phẳng và không gian

Giới thiệu Module SEEP/W trong phân tích thấm [12]:

SEEP/W là module dùng để tính toán thấm trong bộ phần mềm Geostudio,

dùng để mô hình hóa chuyển động của nước và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong môi trường đất đá theo phần tử hữu hạn

SEEP/W có thể phân tích các bài toán:

Cơ sở lý thuyết của SEEP/W:

Hinh 1.16: Sơ đồ phần tử tam giác

Dòng thấm trong đất bão hòa/không bão

hòa tuân theo định luật Darcy:

Trong đó: Q – lưu lượng biên tác dụng;  - độ ẩm thể tích

Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Chia miền tính toán ra

thành các phần tử tam giác, tứ giác nối với nhau tại các điểm nút, với từng phần tử sử

dụng hệ tọa độ địa phương như hình vẽ:

H k y x

H k

t

H m

t

Q y

H k y x

H k

H k y x

H k

Trong đó:

* <N>: Hàm dạng của phần tử;

* {X}, {Y}: Tọa độ của các điểm nút phần tử

Cột nước thấm h tại mỗi điểm trong phần tử được xác định như sau:

trong đó: {H} là cột nước thấm tại các điểm nút

Gradient thấm theo các phương x, y:

x

N x

v

T

dA N

q t H dv N N H

dv B C

* q: Lưu lượng thấm vào biên của phần tử;



* [M]: Ma trận khối lượng:

  M t N n dA

A

T

) (



1.3.4.3 Giải pháp xử lý thấm cho công trình

Căn cứ vào các điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn, các tài liệu về thiết kế, trong phạm vi của Luận văn, tập trung nghiên cứu chống thấm cho nền tràn tháo lũ bằng khoan phụt truyền thống

Khoan phụt truyền thống là công nghệ khoan phụt có nút bịt, thông thường là

xử dụng nút đơn với áp lực phụt thấp (< 10 Mpa) Công nghệ này thi công bắt đầu là khoan tạo lỗ, kế tiếp là rữa sạch hố khoan, sau đó tiến hành phụt vữa Vữa được phụt qua mũi khoan hoặc qua một loại nút đặc biệt thường gọi là nút phụt Sơ đồ khoan phụt tạo màn chống thấm nền tràn thể hiện ở hình 1.19

- Công nghệ này có biện pháp thi công không quá phức tạp, sử dụng được nhiều loại vữa khác nhau tùy theo yêu cầu và điều kiện khoan phụt, nên có giá thành tương đối phù hợp Hỗn hợp vữa dùng rất phong phú như xi măng, sét, bentonite, bitum; ứng dụng mới nhất là xi măng siêu mịn; ngoài ra có thể thêm các loại phụ gia để tăng khả năng thâm nhập và tăng cường độ, đồng thời kiểm soát được thời gian ninh kết của vữa phụt Với lưu tốc nước ngầm trong đất vượt quá 80m/ngày đêm thì pha thêm phụ gia đông kết nhanh

- Mặt hạn chế của quy trình này là sử dụng nút phụt đơn với áp lực phụt thấp, tiến độ thi công chậm, bán kính ăn vữa nhỏ, nên phải thiết kế bố trí nhiều lỗ khoan để phụt Trong điều kiện mực nước ngầm có áp dâng cao thì không kiểm soát được dòng vữa sẽ đi theo hướng nào, nên hiệu quả gia cường hay tạo màng chống thấm sẽ thấp

- Hiện nay trên thế giới đã áp dụng công nghệ sử dụng loại nút phụt kép với áp lực phụt cao, nên mang lại hiệu quả khoan phụt cao hơn so với công nghệ khoan phụt thông thường sử dụng loại nút phụt đơn nêu trên Có 2 loại nút phụt, thể hiện ở hình 1.20

Hinh 1.19 : Sơ đồ khoan phụt vữa tạo màng chống thấm

Hinh 1.20: Nút phụt đơn và nút phụt kép trong cơng nghệ khoan phụt

1.4 Tổng quan chung về khu vực nghiên cứu

1.4.1 Điều kiện tự nhiên:

1.4.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên:

a Vị trí địa lý:

Cơng trình đầu mối Nam Thạch Hãn cĩ tọa độ 16o41’30” Vĩ độ Bắc;

107o08’50” Kinh độ Đơng, thuộc thơn Đá Đứng, xà Hải Lệ, thị xã Quảng Trị, tỉnh Quảng Trị

LẮP MÁY KHOAN

KHOAN

RỮA HỐ KHOAN

ĐẶT NÚT

đầm nén hiện trường

▪ Thay đổi nồng độ vữa cho phù hợp Pmax

▪ thiết kế

Kh oan lỗ

b Đặc điểm địa hình:

Địa hình khu vực dốc dần từ Tây sang Đông, vùng đồi núi được giới hạn từ tuyến đường sắt Bắc – Nam hắt lên phía tây Cao độ vùng núi từ 300m – 100m, có chổ

600 m, cao độ vùng đồi 30m – 10m

c Đặc điểm sông ngòi:

Mạng lưới sông ngòi tương đối dày đặc, các sông đều ngắn và dốc, đều bắt nguồn từ dãy Trường Sơn, chảy qua vùng núi, đồng bằng và ra biển;

Sông Thạch Hãn : Bắt nguồn từ dãy Trường Sơn ở độ cao 700m, chảy trên vùng đồi núi Quảng Trị, xuống đồng bằng rồi đổ ra biển tại Cửa Việt Diện tích lưu vực 2660 km2, có chiều dài 156 km, hệ số uốn khúc 2,5o, chiều rộng bình quân lưu vực 38,6 km Sông có tất cả 28 phụ lưu nhưng một số phụ lưu chính lại nằm ở phía Bắc sông như nhánh Vĩnh Phước, sông Hiếu, Rào Quán

1.4.1.2 Đặc điểm khí tượng, thủy văn:

a Lưới trạm quan trắc:

- Trong lưu vực sông Thạch Hãn có trạm khí tượng Đông Hà và các trạm đo

mưa Ba Lòng, Tà Rụt Gần vị trí công trình có trạm khí tượng Khe Sanh, cách đập Quảng Trị khoảng 8km về phía Tây Nam Hầu hết các trạm khí tượng, đo mưa trong khu vực này có số liệu từ sau năm 1975 đến nay Trong đó tài liệu của trạm khí tượng Khe Sanh được sử dụng để tính toán các yếu tố khí tượng thiết kế cho công trình Thời gian, các yếu tố khí tượng quan trắc ở từng trạm thể hiện ở Bảng 1.2

Bảng 1.2: Tình hình tài liệu khí tượng trên lưu vực sông Thạch Hãn và lân cận

Trong đó: X- Mưa, Z- Bốc hơi, W- Gió, T- Nhiệt độ không khí

- Trên sông Thạch Hãn có 2 trạm thủy văn Rào Quán và trạm thủy văn Quảng Trị

Như đã đề cập đến ở trên trạm rào Quán chỉ đo đạc 3 năm(1983-1985), trạm thủy văn Thạch Hãn là trạm ảnh hưởng triều chỉ quan trắc mực nước Lân cận lưu vực sông Thạch Hãn có trạm thủy văn Gia Vòng trên sông Bến Hải, trạm Kiến Giang trên sông Kiến Giang (tỉnh Quảng Bình) Tất cả các trạm thuộc tỉnh Quảng Trị đều bắt đầu hoạt động sau năm 1975 Trạm Kiến Giang hoạt động từ năm 1961 đến nay, nhưng trạm này đã hạ cấp (chỉ quan trắc mực nước) từ năm 1977 Thời gian và yếu tố quan trắc ở từng trạm thủy văn được thống kê trong Bảng 1.3