Tài liệu đánh giá ổn định đập định bình khi gặp lũ cực hạn và giải pháp đảm bảo an toàn khi công trình gặp sự cố

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Đánh giá ổn định đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn và giải pháp đảm bảo an toàn khi công trình gặp sự cố” được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô, cơ quan, bạn bè và gia đình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:Thầy giáo hướng dẫn 1: GS.TS Phạm Ngọc Quý và Thầy giáo hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Mai Đăng đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết cho luận văn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này. Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè. Hà Nội, ngày 19 tháng 08 năm 2013 Tác giả luận văn Lê Nguyên Trung LỜI CAM KẾT Tên tôi là: Lê Nguyên Trung. Học viên lớp: 19C12. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Tác giả Lê Nguyên Trung MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 T 8 3 T 8 3 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................ 1 T 8 3 T 8 3 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................ 1 T 8 3 T 8 3 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................... 1 T 8 3 T 8 3 4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC .............................................................. 1 T 8 3 T 8 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN ĐẬP ........................ 2 T 8 3 T 8 3 1.1. Khái quát về đập và hồ chứa. ..................................................................... 2 T 8 3 T 8 3 1.1.1. Khái quát về đập.................................................................................. 2 T 8 3 T 8 3 1.1.2. Khái quát về hồ chứa........................................................................... 4 T 8 3 T 8 3 1.2. Lũ cực hạn và sự cố công trình. ................................................................. 5 T 8 3 T 8 3 1.2.1. Khái quát về lũ cực hạn....................................................................... 5 T 8 3 T 8 3 1.2.2. Khái quát về sự cố công trình ............................................................. 7 T 8 3 T 8 3 1.2.3. Tổng quan việc sử dụng lũ cực hạn để đánh giá ổn định đập ............. 9 T 8 3 T 8 3 1.3. Tổng quan ổn định và an toàn đập trên thế giới và Việt Nam. ................ 10 T 8 3 T 8 3 1.3.1. Tổng quan ổn định và an toàn đập ở Việt Nam. ............................... 10 T 8 3 T 8 3 1.3.2. Tổng quan ổn định và an toàn đập trên thế giới................................ 13 T 8 3 T 8 3 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐỊNH BÌNH KHI T 8 3 GẶP LŨ CỰC HẠN ....................................................................................... 21 T 8 3 2.1. Tổng quan về hồ Định Bình. .................................................................... 21 T 8 3 T 8 3 2.2. Tính toán lũ cực hạn đến đập Định Bình. ................................................ 24 T 8 3 T 8 3 2.2.1. Các dữ liệu đầu vào ........................................................................... 25 T 8 3 T 8 3 2.2.2. Kết quả tính toán ............................................................................... 28 T 8 3 T 8 3 2.3. Tính toán điều tiết lũ qua công trình. ....................................................... 31 T 8 3 T 8 3 2.3.1. Cơ sở lý thuyết. ................................................................................. 31 T 8 3 T 8 3 2.3.2. Xây dựng phần mềm tính toán điều tiết lũ với mực nước vượt đỉnh T 8 3 đập chắn....................................................................................................... 32 T 8 3 2.3.3. Kết quả tính toán. .............................................................................. 38 T 8 3 T 8 3 2.4. Đánh giá ổn định đập Định Bình ............................................................. 41 T 8 3 T 8 3 2.4.1. Mặt cắt và trường hợp tính toán ........................................................ 41 T 8 3 T 8 3 2.4.2. Các tài liệu cơ bản của công trình ..................................................... 43 T 8 3 T 8 3 2.4.3. Trình tự và kết quả tính toán ............................................................. 44 T 8 3 T 8 3 2.4.4. Phân tích đánh giá kết quả tính toán ổn định .................................... 55 T 8 3 T 8 3 2.5. Phân tích đánh giá kết quả. ...................................................................... 56 T 8 3 T 8 3 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO AN T 8 3 TOÀN ĐẬP ĐỊNH BÌNH ............................................................................... 58 T 8 3 3.1. Đánh giá ngập lụt khi công trình gặp sự cố ............................................. 58 T 8 3 T 8 3 3.1.1. Đánh giá ngập lụt ngay sau tuyến đập. ............................................. 58 T 8 3 T 8 3 3.1.2. Đánh giá ngập lụt hạ du khi đập Định Bình bị vỡ. ........................... 60 T 8 3 T 8 3 3.2. Nghiên cứu tính toán và đề xuất các giải pháp đảm bảo an toàn đập ...... 65 T 8 3 T 8 3 3.2.1. Giải pháp công trình .......................................................................... 65 T 8 3 T 8 3 3.2.2. Giải pháp phi công trình.................................................................... 85 T 8 3 T 8 3 3.3. Phân tích đánh giá kết quả. ...................................................................... 86 T 8 3 T 8 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 87 T 8 3 T 8 3 1. Kết luận ....................................................................................................... 87 T 8 3 T 8 3 2. Kiến nghị ..................................................................................................... 88 T 8 3 T 8 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 89 T 8 3 T 8 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các loại đập đất ................................................................................. 2 T 8 3 T 8 3 Hình 1.2. Đập đất đá ......................................................................................... 3 T 8 3 T 8 3 Hình 1.3. Đập bê tông và bê tông cốt thép........................................................ 4 T 8 3 T 8 3 Hình 1.4. Các đặc trưng hình thái kho nước[7] ................................................ 5 T 8 3 T 8 3 Hình 1.5. Một số bản vẽ về sự cố lần 1 đập Suối Trầu [6]. ............................ 12 T 8 3 T 8 3 Hình 1.6. Một số bản vẽ về sự cố đập Suối Hành [6]. .................................... 13 T 8 3 T 8 3 Hình 1.7. Sơ đồ tính ổn định với mặt trượt phẳng[16]. .................................. 14 T 8 3 T 8 3 Hình 1.8. Sơ đồ tính ổn định dạng mặt trượt gãy phức hợp[16]..................... 15 T 8 3 T 8 3 Hình 1.9. Vị trí của hợp lực trong các trường hợp tính ổn định lật[16] ......... 16 T 8 3 T 8 3 Hình 1.10. Phân bố đập lớn trên thế giới (tính đến năm 2000) [22]. .............. 17 T 8 3 T 8 3 Hình 1.11. Tỷ lệ các loại đập đã được xây dựng trên thế giới [25] ................ 17 T 8 3 T 8 3 Hình 1.12. Đập Francis hoàn thành................................................................. 18 T 8 3 T 8 3 Hình 1.13. Đập Francis sau khi bị vỡ.............................................................. 18 T 8 3 T 8 3 Hình 1.14. Đập Malpasset hoàn thành ............................................................ 20 T 8 3 T 8 3 Hình 1.15. Đập Malpasset sau khi bị vỡ ......................................................... 20 T 8 3 T 8 3 Hình 1.16. Đập Teton đang bị vỡ. ................................................................... 20 T 8 3 T 8 3 Hình 2.1. Mặt bằng tổng thể đập Định Bình ................................................... 22 T 8 3 T 8 3 Hình 2.2. Vị trí các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Côn[5] ........ 26 T 8 3 T 8 3 Hình 2.3. Phân phối mưa điển hình của trạm Quy Nhơn................................ 27 T 8 3 T 8 3 Hình 2.4. Phân phối mưa PMP hồ Định Bình................................................. 28 T 8 3 T 8 3 Hình 2.5. Đường quá trình lũ PMF đến đập Định Bình.................................. 30 T 8 3 T 8 3 Hình 2.6. Sơ đồ khối tính toán điều tiết lũ theo phương pháp lặp .................. 34 T 8 3 T 8 3 Hình 2.7. Giao diện chính của phần mềm ....................................................... 35 T 8 3 T 8 3 Hình 2.8. Giao diện nhập dữ liệu thủy văn và hồ chứa................................... 36 T 8 3 T 8 3 Hình 2.9. Giao diện nhập dữ liệu công trình ................................................... 37 T 8 3 T 8 3 Hình 2.10. Giao diện kết quả tính toán điều tiết lũ của chương trình ............. 38 T 8 3 T 8 3 Hình 2.11. Đường quan hệ Z~V hồ Định Bình............................................... 39 T 8 3 T 8 3 Hình 2.12. Đường quan hệ Q~Zhạ lưu đập Định Bình ................................... 39 T 8 3 T 8 3 Hình 2.13. Quan hệ Z hồ ~Q của đập Định Bình(Phần đỉnh đập không tràn)... 40 T 8 3 R R T 8 3 Hình 2.14. Kết quả tính toán điều tiết lũ PMF hồ Định Bình ......................... 41 T 8 3 T 8 3 Hình 2.15. Mặt cắt tính toán ổn định của đập tràn Định Bình ........................ 42 T 8 3 T 8 3 Hình 2.16. Mặt cắt tính toán ổn định của đập dâng chắn Định Bình.............. 43 T 8 3 T 8 3 Hình 2.17. Sơ đồ tính toán lực cho mặt cắt đập dâng chắn TH1 .................... 45 T 8 3 T 8 3 Hình 2.18. Sơ đồ tính toán lực cho mặt cắt đập tràn TH1 .............................. 50 T 8 3 T 8 3 Hình 2.19. Sơ đồ tính toán lực cho mặt cắt đập dâng chắn TH2 .................... 52 T 8 3 T 8 3 Hình 2.20. Sơ đồ tính toán lực cho mặt cắt đập tràn TH2 .............................. 54 T 8 3 T 8 3 Hình 3.1. Nhà máy thủy điện Định Bình nhìn từ hạ lưu ................................. 58 T 8 3 T 8 3 Hình 3.2. Mặt bằng khu vực cống xả sâu và nhà máy thủy điện Định Bình .. 59 T 8 3 T 8 3 Hình 3.3. Khu vực đất đắp hạ lưu đập Định Bình tại mặt cắt 18.................... 60 T 8 3 T 8 3 Hình 3.4: Minh họa vết vỡ tại tuyến đập hồ Định Bình ................................. 61 T 8 3 T 8 3 Hình 3.5. Mực nước Hồ Định Bình và sông Côn trước khi bắt đầu vỡ đập ... 62 T 8 3 T 8 3 Hình 3.6. Mực nước hồ Định Bình và sông Côn sau khi đập chính vỡ hết .... 62 T 8 3 T 8 3 Hình 3.7. Bản đồ ngập lụt lớn nhất khi vỡ đập Định Bình do lũ PMF ........... 64 T 8 3 T 8 3 Hình 3.8. Gia cố mái đất đắp hạ lưu đập Định Bình (mặt cắt 18) .................. 65 T 8 3 T 8 3 Hình 3.9. Mặt cắt ngang mái gia cố của mặt cắt 18 ........................................ 66 T 8 3 T 8 3 Hình 3.10. Kết quả tính toán điều tiết lũ hồ khi có tràn sự cố PA1. ............... 67 T 8 3 T 8 3 Hình 3.11. Mặt bằng tổng thể đập Định Bình có bố trí đập tràn sự cố PA1... 69 T 8 3 T 8 3 Hình 3.12. Mặt bằng đập tràn sự cố PA1. ....................................................... 70 T 8 3 T 8 3 Hình 3.13. Mặt cắt dọc tim tràn sự cố PA1..................................................... 71 T 8 3 T 8 3 Hình 3.14. Mặt cắt II-II của đập tràn sự cố PA1............................................. 72 T 8 3 T 8 3 Hình 3.15. Kết quả tính toán điều tiết lũ hồ khi có tràn sự cố PA2. ............... 73 T 8 3 T 8 3 Hình 3.16. Mặt bằng tổng thể đập Định Bình có bố trí đập tràn sự cố PA2... 74 T 8 3 T 8 3 Hình 3.17. Sơ đồ tính toán hố xói sau máng phun của dốc nước. .................. 82 T 8 3 T 8 3 Hình 3.18. Mặt bằng tràn sự cố PA2............................................................... 83 T 8 3 T 8 3 Hình 3.19. Mặt cắt dọc tim tràn và dốc nước đập tràn sự cố PA2 .................. 84 T 8 3 T 8 3 Hình 3.20. Mặt cắt 1-1 của đập tràn sự cố PA2. ............................................. 84 T 8 3 T 8 3 Hình 3.21. Mặt cắt 2-2 của đập tràn sự cố PA2. ............................................. 84 T 8 3 T 8 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tổng hợp các loại sự cố công trình ở hồ chứa nước[9] .................... 8 T 8 3 T 8 3 Bảng 1.2. Tiêu chuẩn lũ thiết kế theo hội đập lớn thế giới (ICOLD)[1]. ......... 9 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.1. Danh sách các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Côn. ... 25 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.2. Lượng mưa 1 ngày lớn nhất trạm Vĩnh Kim. ................................. 27 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.3. Phân phối mưa PMP khu vực hồ chứa Định Bình ......................... 28 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.4. Đường quá trình lũ PMF đến đập Định Bình ................................. 29 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.5. Kết quả tính toán lũ PMF của một số công trình thủy điện. .......... 30 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.6. Kết quả tính toán ổn định cho mặt cắt đập dâng – trường hợp 1. .. 49 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.7. Kết quả tính toán ổn định cho mặt cắt đập tràn – trường hợp 1. .... 51 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.8. Kết quả tính toán ổn định cho mặt cắt đập dâng – trường hợp 2. .. 53 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.9. Kết quả tính toán ổn định cho mặt cắt đập tràn – trường hợp 2. .... 55 T 8 3 T 8 3 Bảng 2.10. Tổng hợp kết quả tính toán ổn định cho đập Định Bình. ............. 55 T 8 3 T 8 3 Bảng 3.1. Diện tích ngập và độ sâu ngập khi vỡ đập Định Bình do lũ PMF.. 64 T 8 3 T 8 3 Bảng 3.2. Kết quả tính toán đường mặt nước trên dốc nước của đập tràn sự cố T 8 3 PA2 .................................................................................................................. 77 T 8 3 Bảng 3.3. Kết quả kiểm tra khả năng khí hóa trên dốc nước của đập tràn sự cố T 8 3 PA2. ................................................................................................................. 79 T 8 3 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay ngành công nghiệp trên thế giới đang phát triển rất nhanh, kèm theo đó là các hoạt động tạo ra khí nhà kính và sự khai thác quá mức các thành phần hấp thụ khí nhà kính như: rừng, hệ sinh thái biển... đã làm biến đổi khí hậu của trái đất. Sự biến đổi này đã làm thiên tai bất thường xẩy ra ở nhiều nơi trên trái đất. Nếu sự biến đổi khí hậu này không được kiểm soát thì khả năng thiên tai bất thường xẩy ra sẽ còn nhiều hơn. Trong những thiên tai này có sự xuất hiện của dòng chảy vượt lũ thiết kế và lũ kiểm tra, vì vậy việc nghiên cứu tính toán ổn định của đập khi gặp lũ cực hạn, xây dựng bản đồ ngập lụt khi công trình gặp sự cố và đề xuất giải pháp ứng phó là rất cần thiết. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Đánh giá tổng quan về ổn định và an toàn đập. - Nghiên cứu tính toán ổn định của đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn. - Nghiên cứu đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn đập. 3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Cách tiếp cận: thu thập, tổng hợp, phân tích và đánh giá tài liệu thực tế về sự cố công trình, tính toán ổn định đập, dự kiến kịch bản vỡ đập có thể xẩy ra, xây dựng bản đồ ngập lụt hạ du và đề xuất giải pháp ứng phó. - Phương pháp nghiên cứu: phương pháp thống kê, phương pháp kế thừa, phương pháp chuyên gia, phương pháp mô phỏng, mô hình toán... 4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC Trên cơ sở các cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu đã đề ra, tác giả dự kiến luận văn đạt được một số kết quả sau: - Tính toán ổn định của đập Định Bình khi gặp lũ cực hạn. - Đề xuất giải pháp đảm bảo an toàn đập 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN ĐẬP 1.1. Khái quát về đập và hồ chứa. 1.1.1. Khái quát về đập. Đập là những công trình chắn ngang sông, làm dâng cao mực nước ở phía trước tạo thành hồ chứa. Vật liệu làm đập là bê tông, bê tông cốt thép, gỗ, đá, đất và được gọi tên theo vật liệu làm đập là đập bê tông, đập bê tông cốt thép, đập gỗ, đập đá, đập đất. Loại đập được dùng rộng rãi nhất là đập vật liệu tại chỗ và đập bê tông. a. Đập đất. Đập đất được xây dựng bằng các loại đất. Tùy thuộc vào việc sử dụng một hay nhiều loại đất để đắp đập người ta phân ra đập đất đồng chất (hình 1.1a,b) hay đập đất không đồng chất (hình 1.1c,d). Nước thấm qua thân đập đất tạo thành dòng thấm. Giới hạn trên cùng của dòng thấm là đường bão hòa thấm (đường abc của hình 1.1a). Nếu đất đắp đập có hệ số thấm quá lớn làm tổn thất nước trong hồ nhiều thì cần có biện pháp chống thấm như tường nghiêng hay tường lõi làm bằng vật liệu ít thấm nước như đất sét hoặc đất á sét, bê tông...[14]. a. Đập đất đồng chất; b. Đập đất có thiết bị chống thấm tường nghiêng; c. Đập có tường tâm; d. Đập đất hai khối Hình 1.1.Các loại đập đất b. Đập đá. 3 Loại này có thân đập được đắp bằng đá. Thiết bị chống thấm là tường nghiêng (hình 1.2a) hoặc tường lõi (hình 1.2b) làm bằng đất sét hay á sét. Thân đập được đắp bằng nửa đất nửa đá được gọi là đập hỗn hợp đất đá (hình 1.2c)[14]. a.. Đập đá đổ tường nghiêng bằng đất, b. Đập đá đổ tường tâm bằng đất, c. Đập hai khối đất, đá. Hình 1.2. Đập đất đá c. Đập bê tông. Đập bê tông gồm đập bê tông trọng lực (hình 1.3a), đập bản chống (hình 1.3b) và đập vòm (hình 1.3c). Đập bê tông trọng lực không tràn có dạng mặt cắt ngang thường gặp là dạng hình thang, mái thượng lưu thẳng đứng hoặc có độ nghiêng nhỏ, trong thân đập có thể bố trí đường ống dẫn nước qua đập như hình 1.3a. Đập bê tông trọng lực tràn nước có dạng mặt cắt thường gặp là dạng mặt cong. Đập bản chống bao gồm bản mặt ở trước thượng lưu mỏng và một hệ thống các trụ chống hợp thành như hình 1.3b. Đập vòm là loại dập được xây dựng bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép làm nhiệm vụ dâng nước và cũng cho phép bố trí những khoang để nước tràn qua. Nhờ tính hợp lí của dạng vòm trên mặt bằng, đập có thể thu nhỏ mặt cắt ngang, tỷ lệ chiều rộng đáy mặt cắt ngang trên chiều cao đập (β) dao động trong khoảng 0,1- 0,65 (hình 1.3c). Nhờ tính ưu việt của kếtcấu dạng vòm, 4 măt cắt đập vòm được thu nhỏ nên tiết kiệm được vật liệu bê tông so với đập bê tông trọng lực. Đập vòm trọng lực được xây dựng bằng công nghệ thi công bê tông truyền thống và cả bằng công nghệ bê tông đầm lăn. Đập vòm thường được sử dụng để xây dựng ở vị trí lòng sông có mặt cắt ngang lòng sông dạng chữ V hoặc chữ U, đồng thời phải có chất nền đá tốt thì mới kinh tế. Trong những điều kiện thích hợp, loại đập này có thể đạt đến những độ cao lớn[14]. Hình 1.3. Đập bê tông và bê tông cốt thép a. đập bê-tông trọng lực; b.đập bản chống phẳng; c.đập vòm; 1.chân răng;2.màng ximăng; 3.thiết bị tiêu nước; 4.mối ghép nhiệt độ; 5.mối nối gia cố; 6.bản chắn nước ; 7. trụ chống; d. Một số các loại đập khác như: đá đổ bọc bê tông, đập cao su, đập gỗ... Nhưng các loại đập này không được sử dụng rỗng rãi trên thế giới. 1.1.2. Khái quát về hồ chứa. 1.1.2.1. Khái niệm về hồ chứa. Hồ chứa nước gồm có hồ tự nhiên và hồ nhân tạo. Hồ nhân tạođược hình thành một cách nhân tạo hoặc bán nhân tạo. Hồ chứa được tạo ra nhằm 5 mục đích điều tiết dòng chảy nhằm phân phối lại dòng chảy tự nhiên theo thời gian, không gian cho phù hợp với yêu cầu dùng nước, sử dụng nước và phòng chống lũ lụt. Các hồ chứa lớn trên thế giới và ở Việt Namđều được xây dựng theo phương thức đắp đập ngăn sông. 1.1.2.2. Các bộ phận của hồ chứa. a. Lưu vực: là phần diện tích hứng nước cho hồ chứa. b. Lòng hồ: là một phần diện tích lưu vực, dùng để chứa nước. Lòng hồ là nơi tích trữ nước và cung cấp nước theo nhiệm vụ của hồ. Lòng hồ càng lớn thì khả năng trữ, khả năng điều tiết và cấp nước của hồ càng lớn. c. Đầu mối công trình thường gồm có: đập chắn dâng nước (đập chính và có thể có một hay nhiều đập phụ), tràn xả lũ (tràn chính, tràn bổ sung, tràn sự cố...), công trình lấy nước và có thể có: nhà máy thủy điện, âu tầu, đường chuyển bè gỗ, đường cá đi...[9]. 1.1.2.3. Các đặc trưng hình thái của hồ chứa Hồ chứa dâng nước bởi đập dâng và nó có các đặc trưng hình thái:dung tích chết và mực nước chết; dung tích hiệu dụng và mực nước dâng bình thường; dung tích siêu cao và mực nước siêu cao; dung tích kết hợp và mực nước trước lũ. Mực nước siêu cao (H sc ) , Mực nước dâng bình thường (H bt ) Mực nước trước lũ (H tl ), Mực nước chết (H c ), Dung tích siêu cao (V sc ), Dung tích hiệu dụng (V h ), Dung tích chết (V c ), Dung tích kết hợp (V kh ). R R R R R R R R R R R R R Hình 1.4. Các đặc trưng hình thái kho nước[7] 1.2. Lũ cực hạn và sự cố công trình. 1.2.1. Khái quát về lũ cực hạn. R R R 6 Lũ cực hạn hay lũ lớn nhất khả năng (PMF-Probable Maximum Flood) là trận lũ lớn nhất được hình thành từ sự tổ hợp bất lợi nhất của các điều kiện khí tượng thủy văn xảy ra trên lưu vực có độ ẩm đã bão hòa. Như vậy trận lũ lớn nhất khả năng được hình thành từ trận mưa lớn nhất khả năng (PMPProbable Maximum Precipitation) của lưu vực. Tính toán lũ lớn nhất khả năng phải qua hai giai đoạn : (1)- Tính toán mưa lớn nhất khả năng PMP (cả lượng và phân bố theo thời khoảng ngắn) (2)- Tính chuyển mưa lớn nhất khả năng PMP sang lũ lớn nhất khả năng PMF bằng mô hình mưa dòng chảy. Hiện nay ở Việt Nam, các lưu vực vừa và lớn thường có khá đầy đủ các tài liệu khí tượng, thủy văn đáp ứng cho việc tính toán mưa lớn nhất khả năng PMP theo phương pháp cực đại hoá trận mưa lớn thực đo. 1.2.1.1. Tính toán mưa lớn nhất khả năng PMP theo phương pháp cực đại hoá trận mưa lớn thực đo[7]. Nội dung và các bước tính toán:Trên cơ cở các số liệu khí tượng thủy văn có sẵn trên lưu vực, các bước tính toán mưa lớn nhất khả năng cho lưu vực như sau. 1. Xác định hệ số hiệu chỉnh cực đại được thực hiện qua các bước. Bước 1: Chọn trận mưa lũ đại biểu. Bước 2: Chọn thời khoảng trận mưa tính toán hiệu chỉnh. Bước 3: Xây dựng bản đồ đẳng trị lượng mưa thời khoảng và quan hệ lượng mưa với thời khoảng. Bước 4:Xác định các hệ số hiệu chỉnh cực đại. Bước 5: Hệ số hiệu chỉnh tổng hợp. 7 2. Tính lượng mưa lớn nhát khả năng (PMP) và phân bố theo thời khoảng ngắn. Bước1:Tính lượng mưa PMP 1 ngày. Bước2:Tính lượng mưa PMP các thời khoảng khác nhau (2,3 ... ngày). Bước3: Xác định phân bố mưa PMP theo thời khoảng ngắn(h). 1.2.1.2. Tính chuyển mưa PMP sang lũ PMF Sau khi có phân bố mưa PMP theo thời khoảng ngắn như trình bày ở trên, việc tính chuyển sang lũ PMF có thể dùng một trong các mô hình đơn giản như: Mô hình tập trung nước tổng hợp (MHTTNTH); mô hình đường lưu lượng đơn vị (Unit Hydrograph); mô hình Nash; mô hình truyền lũ MUSKINGUM... [7]. 1.2.2. Khái quát về sự cố công trình Sự cố các công trình thủy lợi có những đặc điểm sau đây: 1. 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 lí 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 chế tạo lắp đặt. 2. Các hạng mục công trình xẩy 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 với các công trình thủy công. 3. Sự cố xảy không phải chỉ có ngay sau khi hoàn thành công trình mà thường là nhiều năm.Tuy nhiên sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra ngay khi gặp lũ cực lớn(như vỡ đập Vệ Vừng ở tỉnh Nghệ An và rất nhiều đập nhỏ khác) và trong quá trình thi công (như sự cố cống Hiệp Hòa ở hệ thống thủy nông Đô Lương ở tỉnh Nghệ An,sự cố sạt kênh dẫn và vỡ đập ở sông Mực 8 tỉnh Thanh Hóa,sự cố lần thứ 3 đập suối Trầu ở tỉnh Khánh Hòa,sự cố đập Cà Giây tỉnh Bình Thuận,vv..). Hoặc ở năm tích nước đầu tiên,xả lũ đầu tiên(sự cố vỡ đập suối Trầu lần thứ 1,lần thứ 2,vỡ đập Suối Hành,vỡ đập Am Chúa,đều xảy ra tại tỉnh Khánh Hòa,vỡ đập Họ Võ ở tỉnh Hà Tĩnh,vỡđập Đáy cũ,sự cố đập tràn thủy điện Hòa Bìnhvv…). Những sự cố nghiêm trọng khác là do sự cố nhỏ xảy ra từ từ nhưng không được xử lí,để tiếp diễn lâu ngày tích tiểu thành đại(cống Trung Lương ở thành phố Hải Phòng,cống Cầu Xe ở tỉnh Hải Dương,cống lân 1 ở tỉnh Thái Bình,cống Lạch Bạng ở tỉnh Thanh Hóa, vỡ cống Mai Lâm ở tỉnh Bắc Ninh,vv…). 4. Những sự cố lớn và nghiêm trọng thường xảy ra rất đột ngột trong một thời gian rất ngắn ko kịp thời gian ứng phó(vỡ đập Suối Trầu lần 1, lần 2,vỡ đập Suối Hành,gẫy cửa đập tràn Dầu Tiếng,vỡ đập họ Võ, vỡ cống Mai Lâm,sạt cống Hiệp Hòa,sạt kênh vào tràn Sông Mực,vỡ đập Vệ Vừng,vỡ đập Đáy cũ,sạt đập Vục Tròn,sạt đập Yên Mỹ,vv…). 5. Hậu quả do sự cố gây ra thường là nghiêm trọng,việc xử lí rất tốn kém,gây ra tổn thất lớn về tính mạng tài sản của nhân dân và tài sản quốc gia,có ảnh hưởng xấu về kinh tế và đối với những những sự cố lớn nghiêm trọng còn ảnh hưởng xấu đến tình hình xã hội. Những loại sự cố phổ biến ở các hồ chứa nước là:Thấm (ở nền,vai,thân đập); sạt lở ở phần gia cố mái thượng lưu; nước lũ tràn qua đỉnh đập do lũ lớn hơn tần suất thiết kế hoặc mặt đập thấp hơn cao trình thiết kế; tiêu năng tràn xả lũ bị xói;cửa tràn bị gẫy,bị kẹt;cống lấy nước bị lún,gãy,xói tấm đáytrần,dột,khớp nối bị hỏng hoặc đứt, cửa cống bị gẫy,bị kẹt... Bảng 1.1. Tổng hợp các loại sự cố công trình ở hồ chứa nước[9] TT Các loại sự cố 1 Thấm 2 Sạt gia cố mái thượng lưu 3 Mức nước lũ lớn, đập thấp Số lượng hồ 67 115 40 Tỷ lệ % 15,65 26,87 9,35 9 4 5 6 Thân của thiết bị tiêu năng của tràn bị hỏng Cống lấy nước bị hỏng Cửa van bị hỏng Tổng 113 77 16 428 26,4 17,99 3,74 100 Từ số liệu thống kê ở bảng 1.1 cho thấy sự cố công trình thường xuất hiện nhất là: Sạt gia cố mái thượng lưu và thân của thiết bị tiêu năng của tràn bị hỏng chiếm hơn 26%. Sự cố mực nước lũ lớn, đập thấp chiếm 9,35%, trong tương lai với sự diễn biến của thời tiết ngày càng phức tạp thì sự cố loại này sẽ còn tăng thêm nữa. 1.2.3. Tổng quan việc sử dụng lũ cực hạn để đánh giá ổn định đập Trên thế giới, việc sử dụng lũ cực hạn (PMF) để đánh giá ổn định đập đã được thực hiện ở một số nước như Anh, Mỹ... Theo hội đồng đập lớn thế giới thì hồ chứa được chia thành 4 nhóm A, B, C, D và tiêu chuẩn thiết kế lũ của hội đồng đập lớn thế giới (Icold) như bảng 1.2.[1]. Bảng 1.2. Tiêu chuẩn lũ thiết kế theo hội đập lớn thế giới (ICOLD)[1]. TT 1 2 3 4 Nhóm Nhóm A: Hồ chứa khi bị sự cố gây tổn thất về người và tổn thất về tài sản rất nghiêm trọng cho hạ lưu Nhóm B: Hồ chứa khi bị sự cố gây tổn thất về người và tổn thất về tài sản nghiêm trọng cho hạ lưu. Nhóm C: Hồ chứa khi bị sự cố gây tổn thất không đáng kể về người và tài sản cho hạ lưu. Nhóm D: Hồ chứa khi bị sự cố không gây tổn thất về người và tài sản cho hạ lưu. Lũ thiết kế PMF 0,5PMF đến P=0,01% 0,3PMF đến P=0,1% 0,2PMF đến P=0,66% Tại Việt Nam có 2 công trình tiêu biểu đã sử dụng lũ cực hạn là thủy điện Sơn La và thủy điện Trung Sơn. Với thủy điện Sơn La lũ PMF đã được sử dụng để làm tần suất lũ kiểm tra của công trình (tần suất thiết kế là 0,01%). Khi tính toán ổn định của đập Sơn La có sử dựng mực nước lũ cực hạn để tính toán ổn định theo tổ hợp đặc biệt 2. Với thủy điện Trung Sơn khi tính toán lũ cực hạn có giá trị lớn gấp hơn 2 lần so với lũ thiết kế do đó thủy điện Trung Sơn đã phải thiết kế thêm đập tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập tự vỡ. 10 1.3. Tổng quan ổn định và an toàn đập trên thế giới và Việt Nam. Đánh giá ổn định công trình là một vấn đề rất rộng, với nhiều cách tính cho nhiều loại công trình khác nhau, vì vậy trong luận văn này chỉ trình bày vấn đề ổn định và an toàn đập cho đập bê tông trọng lực trên nền đá. Với đập bê tông trọng lực trên nền đá, các khả năng mất ổn định có thể xảy ra là: * Trượt theo một mặt nào đó, có thể là mặt đáy đập tiếp xúc với nền, hay mặt phẳng đi qua đáy của các chân khay (khi đập có làm chân khay cắm sâu vào nền). Trường hợp nền đá phân lớp thì cần xét thêm mặt trượt đi qua các mặt phân lớp, là nơi các đặc trưng chống trượt của đá giảm nhỏ so với mặt trượt qua đá nguyên khối. Khi thân đập có các vị trí giảm yếu (khoét lỗ, mặt ngang tiếp giáp giữa các khối đổ,...) thì cần xét mặt trượt đi qua các vị trí này. Tuỳ theo đặc điểm bố trí công trình và cấu tạo nền đập mà mặt trượt có thể nằm ngang hay nằm nghiêng (nghiêng về phía thượng lưu hay hạ lưu). * Lật theo trục nằm ngang dọc theo mép hạ lưu của một mặt cắt nào đó, thường là mặt đáy đập, hay mặt cắt mà đập bị khoét lỗ, giảm yếu. Khả năng lật chỉ có thể xảy ra khi biểu đồ ứng suất trên mặt nằm ngang tính toán có giá trị âm (trên một phần mặt tính toán có ứng suất kéo). * Nền đập bị phá hoại khi trị số ứng suất từ đập truyền xuống vượt quá sức chịu tải của nền. Trong trường hợp này, cần phải thay đổi hình dạng mặt cắt đập, hoặc tăng bề rộng đáy đập để điều chỉnh lại phân bố ứng suất dưới đáy đập. 1.3.1. Tổng quan ổn định và an toàn đập ở Việt Nam. 1.3.1.1. Tổng quan về ổn định Theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 04 - 05 : 2012/BNNPTNT: Khi tính toán ổn định, độ bền, ứng suất, biến dạng chung và cục bộ cho các công trình 11 thủy lợi và nền của chúng, phải tiến hành theo phương pháp trạng thái giới hạn. Để đảm bảo an toàn kết cấu và nền của công trình, trong tính toán phải tuân thủ điều kiện quy định trong công thức (1.3.1) hoặc (1.3.2): nc .N tt ≤ m R kn (1.3.1) nc .k n m Đặt: K cp = trong đó: (1.3.2) n c - hệ số tổ hợp tải trọng, n c lấy theo [10]. R R R R k n - hệ số tin cậy, phụ thuộc vào cấp công trình, k n lấy theo [10]. R R R R m - hệ số điều kiện làm việc. m lấy theo [10]. K cp - là hệ số an toàn chung của công trình. R R N tt - là tải trọng tính toán tổng quát (lực, mô men, ứng suất), biến dạng R R hoặc thông số khác mà nó là căn cứ để đánh giá trạng thái giới hạn. Tải trọng tính toán bằng tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số lệch tải n (lấy theo [10]). Tải trọng tiêu chuẩn có trong các tiêu chuẩn khảo sát thiết kế quy định riêng cho mỗi loại công trình. N tt =n.N tc R R R R (1.3.3) R - là sức chịu tải tính toán tổng quát, biến dạng hoặc thông số khác được xác lập theo các tài liệu tiêu chuẩn thiết kế. 1.3.1.2. An toàn đập ở Việt Nam. Một số sự cố đập ở Việt Nam được trình bày dưới đây. 1. Vỡ đập Suối Trầu ở Khánh Hoà Đập Suối Trầu ở Khánh Hoà có dung tích 9,3triệu m3 nước, chiều cao P P đập cao nhất: 19,6m, chiều dài thân đập: 240m. Đập Suối Trầu bị sự cố 4 lần: Lần thứ 1: năm 1977 vỡ đập chính lần 1. Lần thứ 2: năm 1978 vỡ đập chính 12 lần 2. Lần thứ 3: năm 1980 xuất hiện lỗ rò qua đập chính. Lần thứ 4: năm 1983 sụt mái thượng lưu nhiều chỗ, xuất hiện 7 lỗ rò ở đuôi cống. Về thiết kế: xác định sai dung trọng thiết kế. Trong khi dung trọng khô đất cần đạt γ = 1,84T/m3 thì chọn dung trọng khô thiết kế γ k = 1,5T/m3 cho P P R R P P nên không cần đầm, chỉ cần đổ đất cho xe tải đi qua đã có thể đạt dung trọng yêu cầu, kết quả là đập hoàn toàn bị tơi xốp. Về thi công: đào hố móng cống quá hẹp không còn chỗ để người đầm đứng đầm đất ở mang cống. Đất đắp không được chọn lọc, nhiều nơi chỉ đạt dung trọng khô γ k = 1,4T/m3, đổ đất các lớp quá dày, phía dưới mỗi lớp R R P P không được đầm chặt. Về quản lý chất lượng:Không thẩm định thiết kế.Giám sát thi công không chặt chẽ, nhất là những chỗ quan trọng như mang cống, các phần tiếp giáp giữa đất và bê tông, không kiểm tra dung trọng đầy đủ.Số lượng lấy mẫu thí nghiệm dung trọng ít hơn quy định của tiêu chuẩn, thường chỉ đạt 10%. Không đánh dấu vị trí lấy mẫu. Như vậy, sự cố vỡ đập Suối Trầu đều do lỗi của thiết kế, thi công và quản lý. Hình 1.5. Một số bản vẽ về sự cố lần 1 đập Suối Trầu [6]. 2. Vỡ đập Suối Hành ở Khánh Hoà Đập Suối Hành có một số thông số cơ bản sau: Dung tích hồ: 7,9triệu m3 nước. Chiều cao đập: 24m. Chiều dài đập: 440m. Đập được khởi công từ P P tháng 10/1984, hoàn công tháng 9/1986 và bị vỡ vào 2h15 phút đêm 13 03/12/1986. Nguyên nhân là do sai sót trong quá trình: khảo sát địa chất, số liệu thí nghiệm vật liệu đắp đập, thiết kế và thi công công trình... Thiệt hại do vỡ đập: Trên 100 ha cây lương thực bị phá hỏng, 20 ha đất trồng trọt bị cát sỏi vùi lấp, 20 ngôi nhà bị cuốn trôi, 4 người bị nước cuốn chết. Hình 1.6. Một số bản vẽ về sự cố đập Suối Hành [6]. 1.3.2. Tổng quan ổn định và an toàn đập trên thế giới. 1.3.2.1. Tổng quan về ổn định Trong tính toán đập bê tông trọng lực nhiều phương pháp phân tích ổn định và phương pháp phân tích ứng suất tùy theo quan điểm của từng nước do đó các phương pháp được đưa vào tiêu chuẩn thiết kế đập bê tông trọng lực của mỗi nước khác nhau. Với Việt Nam, Liên bang Nga và Trung Quốc có