Nghiên cứu giải pháp bảo vệ hạ lưu công trình thủy lợi, thủy điện áp dụng cho công trình cửa đạt tỉnh thanh hóa

Với một hồ chứa được xây dựng thường có nhiệm vụ như cấp nước, phát điện, bảo vệ môi trường, chống lũ, tạo điều kiện ổn định phát triển sản xuất cho khu vực.… tạo thuận lợi cho công việc

-

ĐINH MAI HIỀN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

-

ĐINH MAI HIỀN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, Phòng đào tạo Đại học và sau đại học và

Bộ môn thủy công Trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc học tập và nghiên cứu khoa học trong thời gian học tập tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Tư vấn và giám định, Công ty Tư vấn

13 - Chi nhánh Tổng công ty Tư vấn Xây dựng Thủy lợi Việt Nam - CTCP nơi tôi công tác đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin tỏ lòng cảm ơn của mình tới gia đình, những người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã khích lệ, động viên tôi thực hiện đề tài này

TÁC GIẢ

ĐINH MAI HIỀN

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 8

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 8

II MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 9

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC 10

V BỐ CỤC LUẬN VĂN 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN 11

1.1 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 11

1.1.1 Lợi ích việc xây dựng các hồ chứa 12

1.1.2 Tác động về môi trường 12

1.1.3 Các giải pháp bảo vệ hạ lưu công trình 13

1.2 MỘT SỐ NGUYÊN NHÂN ẢNH HƯỞNG ĐẾN XÓI LỞ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH Ở NƯỚC TA 17

1.2.1 Vấn đề bảo vệ hạ lưu chưa được quan tâm đúng mức 18

1.2.2 Điều kiện địa hình địa chất ở hạ lưu biến đổi phức tạp, bất lợi 18

1.2.3 Tiết kiệm chi phí xây dựng công trình 18

1.2.4 Chất lượng thi công chưa được như mong muốn của thiết kế 19

1.2.5 Chế độ điều tiết vận hành xả lũ chưa hợp lý 19

1.2.6 Tình hình xói lở hạ lưu ở một số công trình 20

1.3 NHẬN XÉT 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH 24

2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG CHẢY HẠ LƯU CÔNG TRÌNH TIÊU NĂNG

ĐẾN XÓI LỞ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH 24

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY HẠ LƯU CÔNG TRÌNH 25

2.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ TÍNH TOÁN 25

2.3.1 Lựa chọn phương pháp tính toán dòng chảy hạ lưu công trình tiêu năng25 2.3.2 Thí nghiệm mô hình thủy lực 26

2.3.2.1 Các chế độ lưu lượng 27

2.3.2.2 Các trường hợp nghiên cứu thí nghiệm 27

2.3.2.3 Các thông số đo đạc, đánh giá được trong thí nghiệm 28

2.3.2.4 Yêu cầu về mô hình thủy lực 28

2.3.3 Lựa chọn kết cấu bảo vệ 30

2.3.3.1 Tác động của sóng, dòng chảy lên kè 31

2.3.3.2 Tải trọng tác động lên kè do sóng 34

2.3.3.3 Tải trọng tác động lên kè do dòng chảy 34

2.3.3.4 Tác động đối với đất nền 35

2.4 NHẬN XÉT KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 43

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH CỬA ĐẠT44 3.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH 44

3.1.1 Vị trí địa lý 44

3.1.2 Nhiệm vụ 44

3.1.3 Cấp công trình, các chỉ tiêu thiết kế 45

3.1.4 Quy mô, kết cấu công trình 45

3.2 CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 48

3.2.1 Yêu cầu, phạm vi vùng nghiên cứu, cấp công trình, các chỉ tiêu thiết kế 48 3.2.1.1 Yêu cầu 48

3.2.1.2 Phạm vi vùng nghiên cứu 49

3.2.1.3 Cấp công trình và các chỉ tiêu thiết kế 49

3.2.2 Yêu cầu, kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực 50

3.2.2.1 Yêu cầu công tác thí nghiệm mô hình thủy lực 50

3.2.2.2 Xây dựng mô hình thủy lực 51

3.2.2.3 Kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực 58

3.2.2.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực 66

3.2.3 Địa hình, địa mạo 68

3.2.4 Địa chất công trình 69

3.3 TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN KẾT CẤU BẢO VỆ CÔNG TRÌNH 69

3.3.1 Lựa chọn hình thức, kết cấu bảo vệ hạ lưu công trình 69

3.3.1.1 Lựa chọn hình thức bảo vệ hạ lưu công trình 69

3.3.1.2 Kết cấu, tuyến kè 70

3.3.2 Tính toán lớp gia cố bảo vệ 71

3.3.2.1 Phương pháp, kết quả tính toán 73

3.3.2.2 Biện pháp gia cố 77

3.4 NHẬN XÉT KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

I NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN 85

II TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật chủ yếu của công trình Cửa Đạt 46

Bảng 3.2: Chế độ lưu lượng thí nghiệm trong mô hình 52

Bảng 3.3: Mực nước trung bình đoạn sông gần cầu phương án mở đều các cửa 59

Bảng 3.4: Trị số lưu tốc phương án mở đều các cửa 59

Bảng 3.5: Trị số mạch động lưu tốc ở các mặt cắt phương án mở đều các cửa 60

Bảng 3.6: Trị số biên độ dao động sóng phương án mở đều các cửa 60

Bảng 3.7: Mực nước trung bình đoạn sông gần cầu phương án mở lệch phải 61

Bảng 3.8: Trị số lưu tốc đáy phương án mở lệch phải 61

Bảng 3.9: Trị số mạch động lưu tốc ở các mặt cắt phương án mở lệch phải 62

Bảng 3.10: Trị số biên độ dao động sóng phương án mở lệch phải 62

Bảng 3.11: Trị số mực nước trung bình đoạn sông gần cầu phương án mở lệch trái63 Bảng 3.12: Trị số lưu tốc đáy phương án mở lệch trái 63

Bảng 3.13: Trị số mạch động lưu tốc ở các mặt cắt phương án mở lệch trái 64

Bảng 3.14: Trị số biên độ dao động sóng phương án mở lệch trái 64

Bảng 3.14: Lựa chọn các trị số lưu tốc dòng chảy và chiều cao sóng để tính toán 72 Bảng 3.15: Kết quả tính toán chiều dày lớp bảo vệ theo công thức (3-4) 74

Bảng 3.16: Kết quả tính toán chiều dày lớp bảo vệ theo công thức (3-5) 74

Bảng 3.17: Kết quả tính toán chiều dày lớp bảo vệ theo công thức (3-6) 75

Bảng 3.18: Kết quả tính toán chiều dày lớp bảo vệ theo công thức (3-8) 76

Bảng 3.19: Kết quả tính toán chiều dày bê tông gia cố dR b Rở Khu Vực 2 và 3 77

THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ

Hình1.1: Toàn cảnh kè bảo vệ hạ lưu thủy điện Thiên sinh kiều - Trung Quốc 14

Hình1.2: Toàn cảnh kè bảo vệ hạ lưu thủy điện Tuyên Quang 14

Hình1.3: Mặt bằng kè bảo vệ hạ lưu thủy điện Hòa Bình 15

Hình1.4: Cắt ngang kè bảo vệ hạ lưu thủy điện Hòa Bình 15

Hình1.5: Kè bảo vệ bờ phải hạ lưu thủy điện Hòa Bình đã được thi công 16

Hình1.6: Mặt bằng kè bảo vệ hạ lưu hồ chứa nước Nước Trong 16

Hình1.7: Cắt ngang kè bờ trái bảo vệ hạ lưu hồ chứa nước Nước Trong 17

Hình 2.1: Tiến trình áp lực trong cấu trúc mái kè 32

Hình 2.2: Áp lực sóng tác động trên mái kè 32

Hình 2.3: Biểu thị áp lực khe hở đất nền do sóng tác dụng 35

Hình 2.4: Sạt trượt cục bộ mái kè (kè trên nền cát) 36

Hình 2.5a: Biểu đồ thiết kế trượt đất nền 38

Hình 2.5b: Biểu đồ thiết kế trượt đất nền 38

Hình 2.6a: Biểu đồ thiết kế trượt lớp mặt - Cơ chế đẩy nâng lớp bề mặt kè 39

Hình 2.6b: Biểu đồ thiết kế trượt lớp mặt - Cơ chế đẩy nâng lớp bề mặt kè 39

Hình 2.7a: Biểu đồ thiết kế trượt lớp mặt - Cơ chế sạt cục bộ lớp mặt kè 40

Hình 2.7b: Biểu đồ thiết kế trượt lớp mặt - Cơ chế sạt cục bộ lớp mặt kè 40

Hình 2.8a: Biểu đồ thiết kế trượt lớp mặt - Cơ chế trượt lớp mặt kè 41

Hình 2.8b: Biểu đồ thiết kế trượt lớp mặt - Cơ chế trượt lớp mặt kè 41

Hình 3.1: Toàn cảnh mô hình thí nghiệm sau khi hoàn thành 54

Hình 3.2: Mô hình khu vực hạ lưu phương án hiện trạng 55

Hình 3.3: Mô hình khu vực hạ lưu phương án 1 55

Hình 3.4: Mô hình khu vực hạ lưu phương án 2 56

Hình 3.5: Mô hình khu vực hạ lưu phương án 3 56

Hình 3.6: Mô hình khu vực hạ lưu phương án 4 57

Hình 3.7: Dòng chảy hạ lưu công trình trên mô hình thí nghiệm ứng với lưu lượng thiết kế bảo vệ hạ lưu Q = 3400 m3 /s 57

Hình 3.8: Mặt cắt và các điểm đo trên mô hình 58

Hình 3.9: Phân bố lưu tốc chảy hạ lưu công trình trên mô hình thí nghiệm ứng với lưu lượng thiết kế bảo vệ hạ lưu Q = 3400 mP 3 P /s 65

Hình 3.10: Mặt bằng bố trí chung kè bảo vệ hạ lưu công trình Cửa Đạt 78

Hình 3.11: Mặt cắt điển hình phương án kè bảo vệ khu vực 1 80

Hình 3.12: Mặt cắt điển hình phương án kè bảo vệ khu vực 2 83

Hình 3.13: Mặt cắt điển hình phương án kè bảo vệ khu vực 3 83

MỞ ĐẦU

Trong quá trình phát triển nền kinh tế của đất nước, các công trình được xây dựng ngày càng nhiều, trong đó việc xây dựng các công trình hồ chứa nước để điều tiết dòng chảy nhằm khai thác tổng hợp nguồn nước phục vụ phát triển kinh tế, xã hội của địa phương nói riêng cũng như của đất nước nói chung Với một hồ chứa được xây dựng thường có nhiệm vụ như cấp nước, phát điện, bảo vệ môi trường, chống lũ, tạo điều kiện ổn định phát triển sản xuất cho khu vực.… tạo thuận lợi cho công việc sản xuất nông nghiệp, cấp nước cho các hộ dùng nước, cung cấp điện để phục vụ nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của các ngành sản xuất và dịch vụ cũng như đời sống nhân dân trong vùng

Khi xây dựng đầu mối công trình hồ chứa nước ngoài đập tạo hồ, công trình lấy nước và một số công trình phục vụ cho các mục đích chuyên môn, cần thiết phải xây dựng công trình để tháo một phần lượng nước thừa trong mùa lũ hoặc tháo cạn một phần hay toàn bộ hồ chứa để kiểm tra sửa chữa đảm bảo hồ chứa làm việc bình thường và an toàn Đập tràn là một hạng mục công trình không thể thiếu khi xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện

Để giải quyết bài toán nối tiếp sau ngưỡng tràn, tiêu năng hạ lưu… ở các công trình thủy lợi, thủy điện ta thường dùng dạng nối tiếp bằng dốc nước, tiêu năng bằng bể, làm tường bể kết hợp hay tiêu năng phóng xa… với mục đích để tiêu tán một phần hoặc toàn bộ năng lượng dòng chảy xả qua tràn khi công trình làm việc để không gây các bất lợi cho khu vực hạ lưu công trình như: Gây xói làm mất

ổn định và an toàn cho công trình đầu mối và các công trình khác ở hạ lưu công trình, làm ảnh hưởng đến đời sống của người dân, gây ra chết người cũng như gây

ra các thiệt hại về kinh tế khác đối với các khu dân cư ở hạ lưu công trình…

Tuy nhiên qua thực tế xây dựng cũng như quá trình vận hành ở các công trình thủy lợi, thủy điện… mặc dù trong quá trình thiết kế đã có đề cập đến biện pháp bảo

vệ hạ lưu công trình nhưng do một số điều kiện khách quan và chủ quan như: Điều

kiện địa hình địa chất ở hạ lưu biến đổi phức tạp và bất lợi cho công trình; để giảm chi phí xây dựng công trình thì đối với một số công trình tiêu năng bằng mũi phun chỉ đào mồi hố xói đến một cao độ nhất định chứ không đào đến cao trình đáy hố xói thiết kế; chất lượng thi công chưa được như mong muốn của thiết kế; chế độ điều tiết vận hành xả lũ chưa hợp lý… do vậy năng lượng dòng chảy sau khi qua công trình tiêu năng vẫn chưa được tiêu tán hết và còn lớn hoặc ở một số công trình vấn đề bảo vệ hạ lưu chưa được quan tâm đúng mức… nên sau mùa mưa lũ đều thấy có hiện tượng xói lở ở khu vực hạ lưu gây mất ổn định và an toàn công trình cũng như ảnh hưởng đến dân sinh kinh tế ở hạ lưu công trình và cần phải sửa chữa lại

Từ những vấn đề trên, để hạn chế và tránh gây xói lở ở khu vực hạ lưu công trình, gây mất ổn định cũng như an toàn công trình đồng thời giảm thiểu các thiệt hại do xói lở gây ra cho các công trình khác nhất là đối với các công trình thủy lợi, thủy điện lớn có các khu dân cư sinh sống ở hạ lưu công trình cần thiết phải có biện pháp gia cố, bảo vệ hạ lưu để đảm bảo an toàn cho công trình đầu mối cũng như đảm bảo an toàn cho các khu vực khác ở hạ lưu công trình

Đề tài “ Nghiên cứu giải pháp bảo vệ hạ lưu công trình thủy lợi, thủy điện”

nhằm làm rõ một số tồn tại, ảnh hưởng của dòng chảy ở hạ lưu công trình khi công trình tháo lũ làm việc đến khả năng gây xói lở hạ lưu công trình thủy lợi, thủy điện

ở nước ta

- Tìm hiểu rõ một số nguyên nhân, tồn tại trong công tác bảo vệ hạ lưu công trình

- Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy hạ lưu sau công trình tiêu năng đến khả năng gây xói lở ở hạ lưu công trình

- Một số đề xuất và kiến nghị

- Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê tài liệu lý thuyết và thực tế

- Kết hợp lý thuyết với các phương pháp tính toán hiện đại, lựa chọn phần

mềm để áp dụng tính toán phù hợp

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho công trình Cửa Đạt

- Xác định được phương pháp tính toán hợp lý với các giải pháp công trình khác nhau

- Đề ra giải pháp hợp lý để bảo vệ chống xói lở ở hạ lưu công trình và áp dụng tính toán cho công trình hồ chứa nước Cửa Đạt

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan các giải pháp bảo vệ hạ lưu công trình thủy lợi, thủy điện

- Chương 2: Cơ sở khoa học tính toán bảo vệ hạ lưu công trình

- Chương 3: Áp dụng tính toán cho công trình Cửa Đạt

- Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

THỦY LỢI - THỦY ĐIỆN

THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Đắp đập tạo hồ trên thế giới đã có từ lâu nhưng đến thế kỷ 20 mới phát triển

mạnh mẽ Đắp đập tạo hồ vừa mang lại lợi ích rất to lớn nhưng đồng thời cũng mang đến hậu quả xấu không nhỏ

Hồ lớn hay nhỏ tùy thuộc vào nhiều yếu tố: cao độ của đập chắn, diện tích lưu vực và lòng hồ, điều kiện địa chất, địa hình, lượng nước bổ sung và điều tiết theo thời kỳ, qui mô khai thác nguồn nước Có thể nói, từ giữa thế kỷ thứ 19 và suốt thế kỷ 20 là thời kỳ phát triển số lượng hồ chứa nước nhiều nhất trong lịch sử nhân loại Hầu như chưa có hệ thống sông nào trên thế giới chưa được con người xây dựng hồ chứa, khác nhau chỉ ở qui mô lớn nhỏ mà thôi Nhiều quốc gia có mạng lưới sông ngòi phong phú, nguồn thủy điện chiếm trên 80% so với các nguồn năng lượng khác và xem đây như là một một chìa khóa mấu chốt cho động lực phát triển kinh tế quốc gia

Việc xây dựng các hồ chứa được xem là một biện pháp hữu hiệu để điều tiết, kiểm soát dòng chảy, giữ nước trong mùa mưa để hạn chế lũ lụt ở hạ nguồn và xả nước ở mùa khô để giảm bớt hạn hán Từ các hồ chứa này, người ta còn chú ý khai thác nước cho việc tưới ruộng, phát điện, cấp nước sinh hoạt, vận tải thủy, nuôi trồng thủy sản, sử dụng các hồ chứa như là một địa điểm điều hòa khí hậu, là nơi tham quan du lịch, hoạt động thể thao nước, nơi an dưỡng chữa bệnh Theo thống

kê của Uỷ ban đập nước thế giới (WCD), trên thế giới đã xây dựng hơn 47000 hồ

chứa nước lớn ở trên 150 nước Năm nước có nhiều đập nhất là Trung Quốc, Hoa

Kỳ, Ấn Độ, Nhật Bản và Tây Ban Nha Theo khu vực, đứng đầu là châu Á, tiếp theo là Tây Âu, châu Phi, Đông Âu, Nam Mỹ, Bắc và Trung Mỹ, châu Úc

1.1.1 Lợi ích việc xây dựng các hồ chứa

Trong thế kỷ 20, các hồ chứa lớn được coi là một trong những công cụ hiệu

quả nhất đối với việc điều tiết, sử dụng và quản lý tài nguyên nước Các hồ chứa lớn

đã thực sự đóng vai trò và mang lại lợi ích quan trọng trong việc phát triển kinh tế

xã hội của các nước trên thế giới như:

- Các hồ chứa đáp ứng một nhu cầu rất lớn nước tưới cho nông nghiệp, công nghiệp và cấp nước sinh hoạt

- Thủy điện đã cung cấp một phần lớn điện năng cho các nước trên thế giới, trong đó có một số nước chủ yếu dựa vào nguồn điện năng này

- Lũ lụt là một trong những thiên tai kinh hoàng nhất của nhân loại, lũ tác động đến cuộc sống của hàng trăm triệu người, gây hại hơn bất kỳ một tai hoạ nào,

kể cả chiến tranh, hạn hán và nạn đói Với số lượng hồ chứa nước lớn hiện có, chúng đã đóng vai trò tích cực phòng chống lũ lụt và góp phần giảm nhẹ thiên tai này

- Các hồ chứa còn mang lại một số lợi ích khác như điều hoà khí hậu, nuôi trồng thủy sản, vận tải thủy, du lịch sinh thái

1.1.2 Tác động về môi trường

Lợi ích các hồ chứa rất lớn, nhưng hậu quả của chúng gây ra ngày càng được đánh giá là nghiêm trọng Tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái do chúng gây

ra không chỉ ở trên lưu vực, mà còn rất lớn đối với vùng hạ lưu công trình

Về phương diện dân sinh - kinh tế, các công trình hồ chứa có những tác động

trực tiếp, phải di dời dân cư cùng với những thiệt hại có thể, hoặc không thể bù đắp được về tài sản, cơ sở hạ tầng, văn hoá cộng đồng, những mất mát về tài nguyên nhân văn và thiên nhiên không chỉ tại chỗ, mà trên toàn lưu vực, kể cả thượng lưu,

hạ công trình Trong đó vấn đề gây xói lở hạ lưu công trình là một vấn đề cần được quan tâm nhất là đối với các công trình thủy lợi thủy điện lớn có các khu vực dân cư sinh sống, kinh tế… ở ngay sau hạ lưu công trình

1.1.3 Các giải pháp bảo vệ hạ lưu công trình

Đối với các công trình thủy lợi, thủy điện… ở trên thế giới cũng như ở Việt Nam thì các hạng mục công trình như công trình dâng nước, tháo lũ… thường có đặc thù là được phân bố trong một phạm vi lớn nên các điều kiện về địa hình, địa

chất nền…thường biến đổi phức tạp từ thượng lưu về hạ lưu công trình

Dòng chảy sau khi chảy qua đập tràn hay một công trình tháo lũ nào đó

xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: Một phần năng lượng này phá hoại lòng sông và hai bờ gây nên xói lở ở khu vực hạ lưu công trình, một phần khác được tiêu hao do ma sát nội bộ dòng

chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí… Nếu phần năng lượng này của dòng chảy sau khi qua công trình tiêu năng chưa được tiêu tán hết và còn lớn thì sẽ

dễ gây ra xói lở ở ngay hạ lưu công trình tiêu năng cũng như các khu vực khác nằm

ở phía hạ lưu công trình Tùy theo điều kiện địa hình, địa chất… khu vực hạ lưu công trình cũng như yêu cầu về mức độ quan trọng của nó thì biện pháp bảo vệ hạ lưu công trình thông thường sử dụng như:

- Đối với các công trình có địa chất lòng và hai bên bờ sông hạ lưu phía sau công trình tiêu năng là đá cứng thì thông thường không cần gia cố bảo vệ

- Đối với các công trình có địa chất lòng và hai bên bờ sông hạ lưu phía sau công trình tiêu năng là đất, đá yếu… thì biện pháp bảo vệ như:

+ Làm tường chắn bằng bê tông, bê tông cốt thép…

+ Kè mái bằng tấm bê tông, cục bê tông, thảm bê tông

+ Kè mái rồng đá, rọ đá, thảm đá

+ Kè mái bằng đá đổ, đá lát, đá xây

+ Kè mái bằng đá xây, đá lát trong khung bê tông cốt thép

+ Làm kè mỏ hàn…

Hình1.1: Toàn cảnh kè bảo vệ hạ lưu thủy điện Thiên sinh kiều - Trung Quốc

Hình1.2: Toàn cảnh kè bảo vệ hạ lưu thủy điện Tuyên Quang

t h ủ y điện h ò a b ìn h

u b n d

t ỉ n h h b

ph- ờng ph- ơng l âm

rá i

q c

Đ iểm đấu điện

Hỡnh1.3: Mặt bằng kố bảo vệ hạ lưu thủy điện Hũa Bỡnh

1a

3d 3a

d ă m l ó t d ày 15c m

1:3.0

Bê t ô n g M150 (0.6x 1.0x 10m)

Bê t ô n g M150 (0.4x 1.0x 10m) Vả i địa k ỹ t h u ật

: Cắt ngang kố bảo vệ hạ lưu thủy điện Hũa Bỡnh

Hình1.5: Kè bảo vệ bờ phải hạ lưu thủy điện Hòa Bình đã được thi công

Hình1.7: Cắt ngang kè bờ trái bảo vệ hạ lưu hồ chứa nước Nước Trong

TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN Ở NƯỚC TA

Ở nước ta, việc đánh giá ảnh hưởng của các hồ chứa đến môi trường hồ chứa, thượng lưu và hạ lưu đã được đề cập đến trong quá trình thiết kế cũng như thi công công trình, trong đó có xem xét đến vấn đề xói lở ở hạ lưu công trình, nhưng mức độ ảnh hưởng của việc gây xói lở ở hạ lưu công trình như thế nào, diễn biến xói lở ra sao vẫn còn chưa được quan tâm và xem xét đúng mức Từ sau năm 1975, việc xây dựng các hồ và đập chứa phát triển khá mạnh Đến nay, cả nước có khoảng trên 650 hồ chứa cỡ lớn và vừa; trên 3500 hồ chứa cỡ nhỏ Các hồ chứa lớn thường

có nhiệm vụ đa mục tiêu nhưng chủ yếu phục vụ tưới cho nông nghiệp, phát điện và chống lũ lụt như các công trình: Dầu Tiếng, Cửa Đạt, Lòng sông, Định Bình, Hoà Bình, Thác Bà, Trị An, Thác Mơ, Đa Nhim

Qua thực tế xây dựng cũng như quá trình vận hành ở các công trình thủy lợi, thủy điện mặc dù đã có giải pháp gia cố bảo vệ hạ lưu công trình bằng các biện

pháp như làm tường chắn bằng bê tông cốt thép, làm kè bảo vệ (bằng đá đổ, đá lát, rồng đá, rọ đá, tấm bê tông cốt thép), tường hướng dòng… Tuy nhiên do một số nguyên nhân như:

Trước đây trong quá trình lập hồ sơ thiết kế, thi công các công trình thủy lợi người ta thường chỉ chú trọng đến các công trình chính như: Đập dâng, công trình tháo lũ, công trình lấy nước, nhà máy thủy điện… và việc gia cố bảo vệ hạ lưu công trình thì chỉ giới hạn ở mức độ nhằm đảm bảo không gây xói lở khu vực hạ lưu công trình chính, làm mất ổn định cũng như an toàn công trình

Còn việc bảo vệ hạ lưu công trình từ phía sau công trình tiêu năng thì hầu như chưa được đề cập đến và chủ yếu để sau khi công trình đi vào vận hành thì căn

cứ vào thực tế xói lở đến đâu thì gia cố và bảo vệ đến đó hay mặc dù đã có biện pháp bảo vệ hạ lưu công trình nhưng do chưa được quan tâm đúng mức, thi công chậm nên khi công trình chính vận hành cũng gây ra xói lở ở hạ lưu

Đối với một công trình thủy lợi, thủy điện thì vấn đề địa hình, địa chất tuyến công trình tháo lũ cũng như công trình tiêu năng là rất quan trọng bởi vì nó quyết định đến hình thức, kết cấu của các hạng mục công trình này

Nếu điều kiện địa hình, địa chất ở khu vực hạ lưu công trình tiêu năng và các khu vực cần bao vệ ở hạ lưu xấu thì khi công trình tháo lũ làm việc thì công trình tiêu năng có thể bị hư hỏng hay sự làm việc của công trình tiêu năng không đúng với ý đồ của thiết kế, từ đó nó làm hạn chế đến khả năng tiêu tán năng lượng của dòng chảy và năng lượng dòng chảy sau khi qua công trình tiêu năng vẫn còn lớn nên dễ gây ra xói lở ở hạ lưu công trình

Để giảm chi phí xây dựng công trình thì đối với một số công trình tiêu năng bằng mũi phun chỉ đào mồi hố xói đến một cao độ nhất định chứ không đào đến cao trình đáy hố xói thiết kế

Đối với một số công trình khi điều kiện địa hình, địa chất phù hợp thì ta hay

lựa chọn hình thức tiêu năng phóng xa với kết cấu công trình là tràn dốc nước, mũi phun

Theo tiêu chuẩn thiết kế quy định thì tần suất thiết kế đối với các công trình tiêu năng thông thường nhỏ hơn một cấp so với tần suất thiết kế công trình chính Mặt khác ở một số công trình có điều kiện địa chất hố xói là đá phong hóa nhẹ, đá tươi thì hố xói được đào theo phương pháp nổ mìn và để giảm chi phí xây dựng công trình hay do một số nguyên nhân như công tác thi công nổ mìn đào hố xói khó khăn phức tạp, để đẩy nhanh tiến độ thi công thì hố xói chỉ được đào mồi đến một cao độ nhất định còn phần dưới thì được để nguyên hay nổ mìn om đến đáy hố xói thiết kế và không bốc xúc và ta hy vọng sau khi công trình tháo lũ đi vào làm việc thì hố xói sẽ được năng lượng dòng chảy tự đào đến cao trình đáy hố xói thiết kế

Tuy nhiên, sau khi công trình vận hành thì ở các năm đầu khi xả lũ với lưu lượng thiết kế thì do hố xói chưa được đào đến cao độ thiết kế, do đá cứng chắc nên việc để năng lượng dòng chảy tự đào hố xói chậm và không đúng như mong muốn nên hiệu quả tiêu tán năng lượng dóng chảy của công trình tiêu năng không cao nên việc đào mồi hố xói như trên cũng là một nguyên nhân gây ra hiện tượng xói lở hạ lưu công trình

Đây là một thực tế đã và đang xảy ra đối với nhiều các công trình thủy lợi, thủy điện ở nước ta ngay sau khi các công trình xả lũ ở các công trình trên làm việc

Do chất lượng thi công chưa được như mong muốn của thiết kế, khâu giám sát chất lượng công trình chưa thật chặt chẽ nên ở một số công trình khi hoàn thành có nhiều chỗ chưa đảm bảo yêu cầu với đồ án thiết kế như: Cao độ, kích thước hình học, chất lượng bê tông Vì vậy sau khi đi vào vận hành xả lũ thì các công trình tháo lũ cũng như các công trình tiêu năng đã bị hư hỏng và làm ảnh hưởng đến khả năng tháo lũ cũng như tiêu năng của công trình cho nên đây cũng là một nguyên nhân gây ra hiện tượng xói lở hạ lưu công trình

Đối với quy hoạch và thiết kế các công trình thuỷ điện thường chú trọng đến

hiệu quả kinh tế phát điện, chưa đưa yêu cầu phòng lũ cho hạ du như là một trong những nhiệm vụ chính của công trình và chỉ được xem là nhiệm vụ kết hợp, vì thế dung tích dành riêng cho cắt lũ thường chỉ rất nhỏ và việc phòng lũ cho hạ du được thực hiện bằng cách hạ thấp mực nước trước lũ xuống thấp hơn mực nước dâng bình thường Điều này đã khiến cho các hồ chứa đảm bảo hiệu quả phát điện nhưng hiệu quả sử dụng tổng hợp, đa mục tiêu của nguồn nước bị hạn chế do một lượng nước khá lớn của sông không được sử dụng mà bị giữ lại trong dung tích chết của

hồ chứa chỉ để nâng cao cột nước phát điện

Đối với hệ thống thuỷ điện bậc thang, mặc dù lượng nước ở bậc thang trên còn được sử dụng cho phát điện ở bậc thang dưới và nâng cao cả hiệu quả phát điện, chống lũ, cấp nước, bảo vệ môi trường của toàn hệ thống Nhưng do quy trình vận hành liên hồ chứa chưa hợp lý cùng với khả năng dự báo mưa lũ trên các sông ở nước ta còn hạn chế nên việc tích và xả lũ không thích hợp và đôi khi các hồ chứa này cũng là một nguyên nhân gây ra xói lở cũng như ngập lụt ở hạ lưu công trình Điều này là một thực tế đã và đang xảy ra đối với các công trình thủy điện bậc thang ở miền Trung nước ta trong mùa mưa lũ năm 2009 và 2010

Với một số các nguyên nhân như đã nêu trên (Ngoài ra còn một số nguyên nhân khác nữa) nên sau mùa mưa lũ đều thấy có hiện tượng xói lở ở khu vực hạ lưu công trình gây mất ổn định và an toàn công trình cũng như ảnh hưởng đến dân sinh kinh tế ở hạ lưu công trình như:

1 Công trình thủy điện Hòa Bình

Trong quá trình nhà máy vận hành, hiện tượng xói lở 2 bờ sông Đà đã xảy ra khá nghiêm trọng trên đoạn dài gần 3 km từ sau bể xả của nhà máy

Các cơ quan hữu quan đã đầu tư và có những giải pháp xử lý như xây dựng

mỏ hàn đầu thị xã bên bờ phải, làm một số đoạn kè cho cả 2 bờ vào những năm từ

1991 ÷ 1996 Nhưng nguyên nhân trực tiếp gây ra sói lở bờ và lòng sông khi nhà máy thủy điện vận hành xả lũ là hết sức phức tạp như sự tạo ra dao động cao và đột ngột mực nước hạ lưu trong khi hố tiêu năng sau tràn chưa đào đến cao độ thiết kế,

năng lượng còn dư thừa Hiện nay chưa thể đánh giá chính xác và đầy đủ về nguyên nhân gây xói lở Thêm vào đó nguồn vốn dành cho công tác nghiên cứu xử lý trước đây còn bị hạn chế Vì vậy hiện tượng xói lở 2 bờ hàng năm vẫn diễn ra, cục bộ có những đoạn nghiêm trọng gây ảnh hưởng cho khu vực thị xã Hòa Bình Trong mùa

lũ 2002 Nhà nước đã phải đầu tư gần 2 tỷ đồng để xử lý khẩn cấp đoạn bờ hữu nhằm bảo vệ an toàn cho thị xã Hòa Bình

Từ năm 2003 tỉnh Hòa Bình đã đầu tư xây dựng kè bảo vệ bờ sông để đảm bảo an toàn cho khu vực thị xã Hòa Bình với kết cấu kè bằng: Rồng đá, đá đổ, gia

cố mái bằng viên bê tông lục lăng do những năm trước đây đã được đầu tư gia cố song chỉ mang tính chất tình thế không đảm bảo chống lũ

2 Công trình thủy điện Tuyên Quang

Sau khi công trình thủy điện Tuyên Quang đi vào hoạt động thì các hộ dân sống ven bờ sông Gâm, thuộc thị trấn Na Hang, huyện Na Hang (Tuyên Quang) đang lo lắng về nguy cơ sạt lở bờ sông mỗi khi Nhà máy thủy điện xả lũ Số hộ dân này sinh sống ở hạ lưu sông Gâm, nằm cách chân đập công trình thủy điện Tuyên Quang hơn 1 km

Mùa lũ năm 2007, khi thủy điện Tuyên Quang mới mở cửa xả lũ trong vòng

có một tuần mà thị trấn đã bị xói lở mất gần 500mP

2

Pđất, tường hướng dòng giữa nhà máy thủy điện và tràn xả lũ bị hư hỏng Theo kế hoạch, Nhà máy thủy điện Tuyên Quang phải hoàn thành việc kè hai bờ sông Gâm trước khi mở cửa xả lũ với biện phàp làm kè bảo vệ bằng thảm rọ đá Tuy nhiên, do tiến độ thi công chậm, kè sông chưa kịp hoàn tất, nhà máy đã vội xả với lưu lượng nước lớn, làm sạt lở đất 2 bờ sông, đe dọa trực tiếp đến tính mạng và tài sản của các hộ dân đang sinh sống ở hạ lưu ven sông

3 Cô ng trình hồ chứa nước Nước Trong

Công trình hồ chứa nước Trong, tỉnh Quảng Ngãi là một trong số các công trình mà vấn đề bảo vệ hạ lưu công trình đã được quan tâm ngay từ giai đoạn lập hồ

sơ thiết kế Với đặc thù khu vực hạ lưu công trình phía sau công trình tiêu năng là lòng sông thiên nhiên có điều kiện địa chất hai bên bờ sông là đá phong hóa vừa,

phong hóa mạnh, đất Cách hạ lưu công trình khoảng 600 m là cầu giao thông phục vụ cho công tác quản lý vận hành công trình nên toàn bộ mái bờ sông từ hạ lưu công trình tiêu năng, khu vực cầu đã được gia cố bảo vệ như sau:

+ Đoạn nối tiếp với bể tiêu năng làm tường chắn bằng bê tông thường đổ tại chỗ với kết cấu cấu dạng tường trọng lực

+ Đoạn còn lại cho đến phạm vi qua cầu giao thông ở hạ lưu, mái hai bờ sông được bảo vệ bằng các tấm bê tông cốt thép dày 60cm (Bờ trái) và 30cm (Bờ phải)

đổ tại chỗ Các tấm bê tông này được neo với nền để tăng ổn định cho mái kè

4 Công trình thủy điện Hố Hô

Trong mùa lũ năm 2009, trong lần xả lũ đầu tiêu thì ở ngay hạ lưu công trình cũng như dọc hai bờ sông hạ lưu đã bị xói lở nghiêm trọng làm sạt lở tuyến đường quản lý, tường phân dòng, khu vực trạm biến áp, một phần kè bằng rọ đá làm ảnh hưởng đến an toàn của trạm biến áp ở hạ lưu công trình

Nguyên nhân gây xói lở thì có nhiều nhưng trong đó một phần là do công tác vận hành hồ chứa, việc xả và đón lũ chưa hợp lý do đó khi lũ về thì hồ chỉ tích được một ít thì đầy và phải xả về hạ lưu với lưu lượng lớn nên đã gây ra xói lở ở hạ lưu công trình

Qua một thời gian dài xây dựng và phát triển các công trình thủy lợi, thủy điện ở nước ta, đến nay quy hoạch xây dựng các công mới hầu như không còn nhiều nữa Nhưng qua mỗi mùa mưa lũ thì các hậu quả do các công trình đã được xây dựng gây ra như gây ngập lụt, xói lở hạ lưu thì vẫn đang còn tiếp diễn, vì vậy chúng

ta cần phải quan tâm và có các giải pháp bảo vệ nhằm đảm bảo an toàn cho dân sinh

kinh tế ở hạ lưu công trình không chỉ đối với các công trình sẽ được xây dựng trong tương lai mà còn đối với cả các công trình đã được đưa vào khai thác vận hành

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN BẢO VỆ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

ĐẾN XÓI LỞ HẠ LƯU CÔNG TRÌNH

Dòng chảy sau khi chảy qua đập tràn hay một công trình tháo lũ nào đó

xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn Năng lượng đó được tiêu hao bằng nhiều dạng khác nhau: Một phần năng lượng này phá hoại lòng sông và hai bờ gây nên xói lở ở khu vực hạ lưu công trình, một phần khác được tiêu hao do ma sát nội bộ dòng

chảy, phần khác do ma sát giữa nước và không khí Do vậy chúng ta cần phải có

biện pháp tiêu hao năng lượng dòng chảy để hạn chế gây xói lở hạ lưu công trình

Đối với các công trình thủy lợi, thủy điện thì các hạng mục công trình như công trình dâng nước, tháo lũ… thường có đặc thù là được phân bố trong một phạm

vi lớn nên các điều kiện về địa hình, địa chất nền…thường biến đổi phức tạp từ thượng lưu về hạ lưu công trình Tùy theo điều kiện địa hình địa chất khu vực hạ lưu công trình tháo lũ ta có thể dùng các biện pháp tiêu năng dòng mặt, tiêu năng dòng đáy, tiêu năng dòng mặt ngập, tiêu năng phóng xa như: Tiêu năng bằng mũi phun, bố trí các mố tiêu năng ở cuối dốc nước hay ở bể, làm bể hay tường tiêu năng, làm bể tường kết hợp

Nguyên lý cơ bản của các hình thức tiêu hao 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, khuyếch tán theo phương đứng và để giảm lưu lượng đơn vị Vì vậy mục đích của các công trình tiêu năng ở hạ lưu công trình tháo lũ là nhằm tiêu tán một

phần hoặc tiêu tán hết năng lượng của dòng chảy qua công trình tháo lũ, chuyển

trạng thái dòng chảy từ dòng chảy xiết sang dòng chảy êm để hạn chế gây ra xói lở

hạ lưu công trình chính, gây mất an toàn cho công trình cũng như các khu vực khác

ở hạ lưu… nếu phần năng lượng này của dòng chảy sau khi qua công trình tiêu năng chưa được tiêu tán hết thì phần năng lượng này sẽ gây ra sóng, làm vận tốc dòng

chảy ở hạ lưu công trình tiêu năng lớn, … nên dễ gây ra xói lở ở ngay hạ lưu công

trình tiêu năng cũng như các khu vực khác nằm ở phía hạ lưu công trình

yếu tố dòng chảy để phục vụ cho công tác tính toán bằng lý thuyết…

- Tính toán dòng chảy hạ lưu công trình theo phương pháp kết hợp cả hai phương pháp trên như: tính toán theo phương pháp lý thuyết sau đó dùng thí nghiệm mô hình thủy lực để kiểm chứng lại tính toán lý thuyết…

Như đã nêu ở trên, việc bố trí công trình xả lũ, tiêu năng… cũng như các khu

vực khác ở hạ lưu công trình phân bố trên một phạm vi lớn Trong khi đó khu vực

hạ lưu phía sau công trình tiêu năng ở các công trình thủy lợi, thủy điện hầu hết là lòng sông thiên nhiên có điều kiện địa hình, địa chất… biến đổi lớn và phức tạp

Để có cơ sở cho công tác tính toán, thiết kế bảo vệ hạ lưu công trình thì việc xác định các yếu tố dòng chảy như sóng, vận tốc dòng chảy, đường mặt nước, diễn

biến xói lở, các khu vực xung yếu cần quan tâm… là rất quan trọng Vì biện pháp,

kết cấu cũng như quy mô công trình đều được xác định trên cơ sở các yếu tố nêu trên

- Với phương pháp tính toán dòng chảy hạ lưu công trình theo phương pháp

lý thuyết thì đối với các công trình kênh dẫn, hay các đoạn sông thiên nhiên có điều

kiện địa hình lòng sông khu vực hạ lưu ít biến đổi (Mặt cắt ngang dòng chảy ít thay đổi về chiều rộng, mái hai bên bờ sông và độ dốc đáy sông ít thay đổi)… thì các kết

quả tính toán là tương đối chính xác Còn đối với các công trình có điều kiện địa

hình phức tạp như khu vực hạ lưu các công trình thủy lợi, thủy điện thì cao độ địa hình và mặt cắt lòng sông biến đổi lớn thì các kết quả tính toán sẽ có độ chính xác không cao và với phương pháp lý thuyết thì chỉ xác định được vận tốc dòng chảy, đường mặt nước… theo lưu lượng và mặt cắt thiết kế còn các yếu tố khác như sóng,

diễn biến xói lở, các khu vực xung yếu thì sẽ không xác định được

- Với phương pháp tính toán dòng chảy hạ lưu công trình theo phương pháp

thực nghiệm có ưu điểm là ta có thể mô phỏng được các điều kiện về dòng chảy, địa hình, địa chất, một số yếu tố khác… ở khu vực cần nghiên cứu bảo vệ, thực hiện được với nhiều phương án, cấp lưu lượng… khác nhau Đồng thời với phương pháp này ta còn có thể đánh giá được chế độ thủy lực ở hạ lưu công trình khi công trình tháo lũ làm việc và xác định được các yếu tố dòng chảy như vận tốc dòng chảy, đường mặt nước, sóng, diễn biến xói lở, các khu vực xung yếu… cũng như thông qua công tác thí nghiệm ta còn có thể xác định các yếu tố gây bất lợi cho chế độ

thủy lực hạ lưu công trình để từ đó có biện pháp xử lý và phục vụ cho công tác tính toán thiết kế sau này

- Với phương pháp tính toán dòng chảy hạ lưu công trình theo phương pháp

lý thuyết kết hợp với thực nghiệm thì như đã nêu trên do việc tính toán lý thuyết cho kết quả chưa chính xác nên việc kiểm nghiệm lại lý thuyết bằng thực nghiệm sẽ cho kết quả tính toán có độ tin cậy cao Ngoài ra với phương pháp này ta còn xác định được các yếu tố dòng chảy như vận tốc dòng chảy, đường mặt nước, sóng, diễn

biến xói lở, các khu vực xung yếu… Tuy nhiên với phương pháp này sẽ làm tăng

thời gian và chi phí xây dựng công trình

Từ các cơ sở, phân tích nêu trên, trong đề tài luận văn này Tác giả lựa chọn phương pháp thực nghiệm kết hợp lý thuyết bằng biện pháp thí nghiệm mô hình

thủy lực tổng thể để xác định các yếu tố dòng chảy như sóng, vận tốc, đường mặt nước, diễn biến xói lở, các khu vực xung yếu cần quan tâm… để làm cơ sở phục vụ cho việc tính toán kết cấu bảo vệ hạ lưu công trình theo các công thức lý thuyết

Đối với khu vực hạ lưu các công trình thủy lợi thủy điện có phạm vi lớn, điều

kiện địa hình, địa chất phức tạp… và biến đổi nhiều, việc lựa chọn loại thí nghiệm

mô hình lòng mềm sẽ có điều kiện đánh giá được diễn biến xói lở, các khu vực xung yếu… để phục vụ cho công tác tính toán, thiết kế Nhưng do điều kiện hiện nay trong nước việc thí nghiệm mô hình tổng thể lòng mềm chưa đáp ứng được yêu

cầu (do việc mô hình hóa vật liệu địa chất khu vực hạ lưu công trình rất phức tạp và khó thực hiện)… nên trong luận văn, Tác giả lựa chọn giải pháp làm thí nghiệm mô hình thủy lực tổng thể lòng cứng để xác định các yếu tố dòng chảy hạ lưu như sóng,

vận tốc, đường mặt nước, các khu vực xung yếu… với các nội dung chủ yếu như sau:

- Phạm vi mô hình: Thể hiện toàn bộ tuyến tràn từ một phần lòng hồ đến qua tràn xả lũ, dốc nước, hố xói và toàn bộ khu vực hạ lưu công trình cần nghiên cứu

Đối với thí nghiệm mô hình thủy lực ta có thể thực hiện công tác thí nghiệm

với nhiều cấp lưu lượng, cao trình mực nước hồ khác nhau như:

+ Ứng với cao trình mực nước lũ thiết kế công trình tiêu năng của hồ chứa, thí nghiệm với các cấp lưu lượng từ nhỏ hơn cho đến bằng lưu lượng ứng với tần

suất thiết kế bảo vệ hạ lưu công trình (Để tính toán thiết kế)

+ Ứng với cao trình mực nước lũ thiết kế của công trình đầu mối, thí nghiệm

với các cấp lưu lượng từ nhỏ hơn cho đến bằng lưu lượng ứng với tần suất lũ thiết

kế công trình (Để đánh giá khả năng xói lở, các khu vực xung yếu)

2.3.2.2 Các trường hợp nghiên cứu thí nghiệm

Đối với giải pháp thí nghiệm mô hình thủy lực ta có thể thực hiện với nhiều

cấp lưu lượng, qui trình đóng mở cửa công trình xả lũ khác nhau để từ đó có thể xác định được trường hợp gây bất lợi nhất cho khu vực hạ lưu công trình và làm cơ sở cho công tác tính toán thiết kế, đề ra giải pháp tối ưu nhất về kinh tế và kỹ thuật cho

công trình Do vậy, với mục tiêu là bảo vệ hạ lưu công trình, công tác thí nghiệm có

thể thực hiện cho các trường hợp như:

- Mở đều các cửa ứng với các cấp lưu lượng từ nhỏ hơn cho đến bằng lưu lượng ứng với tần suất thiết kế bảo vệ hạ lưu công trình

- Mở lệch các cửa (mở hoàn toàn một số cửa bên phải hoặc bên trái) ứng với các cấp lưu lượng từ nhỏ hơn cho đến bằng lưu lượng ứng với tần suất thiết kế bảo

vệ hạ lưu công trình

2.3.2.3 Các thông số đo đạc, đánh giá được trong thí nghiệm

- Xác định đường mặt nước từ hạ lưu hố xói đến hết khu vực nghiên cứu

- Xác định chế độ thủy lực từ hạ lưu hố xói đến hết khu vực nghiên cứu

- Xác định lưu tốc trung bình từ hạ lưu hố xói đến hết khu vực nghiên cứu

- Xác định mạch động lưu tốc tại các vị trí quan trọng

- Xác định áp suất trung bình ở hố tiêu năng, dọc kênh xả lũ hạ lưu, ở các vị trí xung yếu

- Nghiên cứu mạch động áp suất tại một số vị trí xung yếu

- Xác định dao động sóng tại một số mặt cắt xung yếu trong đoạn từ hố xói

tới hết khu vực nghiên cứu

- Đánh giá khả năng xói lở tại một số vị trí xung yếu

2.3.2.4 Yêu cầu về mô hình thủy lực

1 Tiêu chuẩn tương tự

Để đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu và nội dung xác định các yếu tố thuỷ lực nêu trên cần phải tiến hành trên mô hình tổng thể chính thái, dựa vào yêu

cầu đo đạc thu nhập số liệu và sân bãi của phòng thí nghiệm, ta xác định được tỷ lệ

mô hình λR l

Dòng chảy qua đập tràn là dòng chảy hở, lực tác dụng của dòng chảy đối với đập tràn chủ yếu là trọng lực, nên tiêu chuẩn tương tự mô hình được chọn là tiêu chuẩn Froude (Fr): �𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝐶𝐶 = 𝐼𝐼𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖

n : hệ số nhám của vật liệu xây dựng

Để mô hình làm việc trong khu tự động mô hình, tức là trong khu bình phương sức cản thì: ReR m R > [ReR gh R], với ReR gh R: Số Raynol giới hạn trong khu tự động

2 Mô hình hóa vật liệu

Trong thực tế mô hình tổng thể cụm đầu mối công trình Cửa Đạt gồm:

- Địa hình lòng hồ, địa hình lòng sông hạ lưu

- Đập đá đổ bê tông bản mặt

- Đập tràn xả lũ và dốc nước, hố tiêu năng, kênh xả hạ lưu

- Cửa vào nhà máy TĐ, trạm TĐ và kênh xả thủy điện

- Đo áp suất trung bình và áp suất mạch động bố trí: Về đo áp suất trung bình

và áp suất mạch động ở hố xói nhằm xác định được giá trị pR tb R và σR p Rđể phục vụ việc tính toán khả năng ổn định của mái hố xói cũng như hai bờ kênh xả lũ hạ lưu, áp lực tác dụng vào mố bên, mố giữa của cầu Cửa Đạt nhằm xác định các giá trị theo biểu

VR động R - là giá trị lưu tốc động tức thời trung bình thời gian (m/s);

VR tb R- là giá trị lưu tốc trung bình thuỷ trực (m/s);

σR v R - mạch động lưu tốc (m/s)

Công tác tính toán thiết kế kết cấu bảo vệ cho khu vực hạ lưu công trình phải đảm bảo kết cấu tối ưu nhất về kinh tế và kỹ thuật như: Lựa chọn được kết cấu, vật

liệu phù hợp, kết cấu bảo vệ phải đảm bảo chịu được các tác động của dòng chảy khi công trình tháo lũ làm việc… Căn cứ theo điều kiện địa hình, địa chất công trình thì ta có thể sử dụng các giải pháp bảo vệ như:

+ Làm tường chắn bằng bê tông, bê tông cốt thép…

+ Kè mái bằng tấm bê tông, cục bê tông, thnảm bê tông

+ Kè mái rồng đá, rọ đá, thảm đá

+ Kè mái bằng đá đổ, đá lát, đá xây

+ Kè mái bằng đá xây, đá lát trong khung bê tông cốt thép

+ Kè mái bằng bao tải đất, bê tông atsphant

+ Làm kè mỏ hàn…

Trong luận văn này Tác giả chỉ tập trung nghiên cứu giải pháp gia cố mềm bằng biện pháp làm kè bảo vệ hạ lưu công trình

2.3.3.1 Tác động của sóng, dòng chảy lên kè

Theo các nghiên cứu trong tài liệu “Thiết kế công trình bảo vệ bờ, đê” của tác

giả Tôn Thất Vĩnh do Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật xuất bản [7] đã nghiên

cứu các tác động của dòng chảy lên kè như sau:

Khi sóng tác động lên kè, dòng chảy do sóng xuất hiện dọc theo mái và qua

kè (lớp lọc và lớp bảo vệ bên ngoài) Lúc sóng leo lên mái, lực sóng hướng ngược

với trọng lực nên không nguy hiểm so với khi sóng trườn xuống Sóng trườn xuống kéo theo 2 cơ chế quan trọng là:

- Dòng chảy xuống của sóng tạo lực kéo bề mặt và hạ thấp đường bão hòa, gradien dòng chảy của lớp lọc (hoặc lớp bảo vệ) có thể gây mất ổn định kè như xói

ngầm lớp đất nền, gây sạt trượt mái kè…

- Khi sóng trườn xuống vị trí thấp nhất cùng lúc một con sóng khác xuất hiện tác động lên mái Thời điểm ngay trước khi sóng tác động hiện diện một tường sóng

với áp lực lớn ở phía dưới vị trí sóng trườn Phía trên vị trí này ke hầu như khô với

áp lực nhỏ Áp lực cao tạo dòng chảy vào lớp lọc (hoặc lớp bảo vệ), dòng chảy này

gặp dòng chảy đi xuống tạo nên dòng chảy ra và áp lực đẩy nổi gần vị trí thấp nhất sóng trườn xuống

Tương tác áp lực được trình bày trong hình 2.1 và 2.2

Hiện tượng này có thể biểu thị dựa theo cơ sở phương trình của Laplace như sau:

𝛿𝛿2𝜙𝜙

Trong đó:

φ = φR b R là thế năng trong lớp lọc hoặc lớp bảo vệ

y là tọa độ dọc theo mái

z là tọa độ vuông góc với mái

Hiệu quả của áp lực đẩy nổi phụ thuộc vào độ dốc mái kè, chiều cao áp lực (Tùy thuộc chiều cao, chu kỳ sóng và góc của mái dốc) trên lớp bề mặt, chiều dày

lớp bảo vệ và mức đường bão hòa trong mái Cân bằng giữa áp lực đẩy nổi và trọng

lực được biểu thị theo các công thức sau (theo [7]):

HR s R : là chiều cao sóng làm kết cấu bảo vệ bị đẩy ra

Λ : là chiều dài khe hở

∆ : tỉ trọng đẩy nổi của bê tông, ∆ = (ρR r R – ρR w R)/ ρR w

b : là chiều dày lớp dưới

d : chiều dầy lớp bảo vệ (lớp mặt ) (m)

α : góc mái dốc so với phương ngang (độ)

LR op R : Chiều dài sóng nước sâu ở thời điểm đỉnh (m) LR op R = 𝑔𝑔

TR p R : chu kỳ sóng trung bình (s)

2.3.3.3 T ải trọng tác động lên kè do dòng chảy

Tác động của dòng chảy được xác định theo công thức của Pilarczyk [7]: ∆.d = 0,035𝜙𝜙𝜓𝜓.𝐾𝐾𝑇𝑇 𝐾𝐾ℎ

Trong đó:

∆ : tỉ trọng đẩy nổi của kết cấu gia cố

d : Chiều dầy của kết cấu gia cố (m)

φ : hệ số ổn định của khối gia cố

KR t R : hệ số xáo động

ψ : thông số Shields tới hạn

KR h R : hệ số chiều sâu dòng chảy

u : vận tốc dòng chảy (m/s)

g : gia tốc trọng trường

KR s R : hệ số độ dốc mái kè KR s R = �1 − 𝑠𝑠𝑖𝑖𝑛𝑛𝑠𝑠𝑖𝑖𝑛𝑛22𝑡𝑡𝜃𝜃�0,5

α : góc dốc của mái kè

θ : góc ma sát của vật liệu bảo vệ

2.3.3.4 Tác động đối với đất nền

Chuyển động của nước trên cấu trúc kè có thể ảnh hưởng đến đất nền, đặc

biệt đất nền là đất cát Kè ổn định hay không là do yếu tố quan trọng là cơ cấu đất

nền Các khía cạnh cần nghiên cứu là:

Hình 2.4: Sạt trượt cục bộ mái kè (kè trên nền cát)

lớp đất nền và tương ứng làm tăng giảm áp lực của hạt đất Sự tích dẻo có thể đưa đến các cơ chế phá hoại sau:

+ Đẩy nâng lớp bề mặt kè

+ Sạt cục bộ lớp mặt

+ Trượt lớp mặt

Về ổn định lớp bề mặt, hiện tượng tích dẻo đặc biệt quan trọng nếu lớp bề

mặt đặt trực tiếp trên lớp đất nền không có lớp đệm lọc Sự ổn định của lớp nền bi ảnh hưởng do tích dẻo nếu sức căng hạt giảm mạnh tới ứng suất cắt không đủ để ngăn sạt trượt bị lớp nền hấp thụ Phương pháp thiết kế liên quan đến cơ chế phá

hoại khác nhau có quan hệ với tích dẻo được trình bày trong các hình từ 2.5 đến 2.8 [7] Trong các biểu đồ, chiều cao sóng cho phép ứng với chiều dày của lớp mặt và

độ dốc sóng SR op R Nếu cấu trúc kè gồm 1 lớp mặt và 1 lớp đệm lọc thì chiều dày kè

bao gồm cả lớp đệm lọc được xác định theo công thức [7]: