Tài liệu đánh giá thiệt hại vùng hạ du do vỡ đập hồ núi cốc thái nguyên (luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành thủy văn học)

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng Học Viên Đỗ Giang Thi i năm 2018 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, học viên đã hoàn thành luận văn thạc sỹ “Đánh giá thiệt hại vùng hạ du do vỡ đập Hồ Núi Cốc – Thái Nguyên”. Đây là một đề tài phức tạp và khó khăn trong việc mô phỏng vỡ đập, phân tích kết quả và đánh giá thiệt hại. Vì vậy, trong quá trình thực hiện để hoàn thành luận văn, ngoài sự cố gắng của bản thân còn có sự giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô, đồng nghiệp. Trƣớc hết học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng tới GS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan, PGS.TS Trần Kim Châu đã chỉ bảo, hƣớng dẫn và giúp đỡ học viên rất tận tình trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn. Học viên xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Khoa Thủy văn Tài nguyên nƣớc của trƣờng Đại học Thủy lợi và toàn thể các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập cũng nhƣ thực hiện luận văn. Do thời gian nghiên cứu không dài, trình độ và kinh nghiệm thực tiễn chƣa nhiều nên luận văn chắc chắn không thể tránh đƣợc những hạn chế và thiếu sót. Học viên kính mong các thầy, cô giáo, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu đƣợc hoàn thiện hơn. Học viên xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng Học Viên Đỗ Giang Thi ii năm 2018 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................................ v DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................... vii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VỠ ĐẬP VÀ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI 4 1.1 Tổng quan về vỡ đập ..........................................................................................4 1.1.1 Các nguyên nhân gây vỡ đập ......................................................................4 1.1.2 Một số trƣờng hợp vỡ đập trên thế giới và Việt Nam. ................................6 1.1.3 Tình hình nghiên cứu vỡ đập trong nƣớc và ngoài nƣớc. .........................13 1.2 Phƣơng pháp tính toán mô phỏng vỡ đập và mô phỏng ngập lụt. ...................17 1.2.1 Các phƣơng pháp xác định, tính toán thông số vết vỡ. .............................17 1.2.2 Giới thiệu về các mô hình thủy văn, thủy lực mô phỏng vỡ đập. .............21 CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỠ ĐẬP, ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU. ................................................................................ 26 2.1 Cách tiếp cận đánh giá thiệt hại trong luận văn. ..............................................26 2.1.1 Xây dựng bản đồ ngập lụt. ........................................................................27 2.1.2 Tính toán, thống kê thiệt hại. ....................................................................28 2.2 Điều kiện tự nhiên ............................................................................................32 2.2.1 Vị trí địa lí .................................................................................................32 2.2.2 Đặc điểm địa hình .....................................................................................33 2.2.3 Đặc điểm thổ nhƣỡng, địa chất. ...............................................................37 2.2.4 Đặc điểm thảm phủ thực vật, sử dụng đất. ................................................39 2.2 Đặc điểm khí hậu thủy văn. .............................................................................42 2.2.1 Đặc điểm khí hậu ......................................................................................42 2.2.2 Đặc điểm thủy văn ....................................................................................47 2.3 Đặc điểm kinh tế - xã hội vùng hạ du hồ Núi Cốc...........................................57 2.3.1 Dân cƣ lao đông. .......................................................................................57 2.3.2 Hiện trạng kinh tế ......................................................................................58 CHƢƠNG 3 3.1 TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI DO VỠ ĐẬP HỒ NÚI CỐC 63 Dữ liệu đầu vào sử dụng trong tính toán. .........................................................63 iii 3.1.1 Tài liệu đặc trƣng hồ Núi Cốc ...................................................................63 3.1.2 Tài liệu khí tƣợng thủy văn .......................................................................63 3.1.3 Tài liệu địa hình ........................................................................................64 3.1.4 Biên tính toán. ...........................................................................................66 3.1.5 Các kịch bản tính toán. ..............................................................................68 3.2 Thiết lập mô hình tính toán ngập lụt. ...............................................................69 3.2.1 Mô hình MIKE 11 HD. [11] .....................................................................69 3.2.2 Mô hình MIKE 21FM [12] .......................................................................70 3.2.3 Mô hình MIKE FLOOD. [13] ...................................................................72 3.2.4 Hiệu chỉnh mô hình. ..................................................................................73 3.2.5 Kiểm định mô hình....................................................................................78 3.3 Mô phỏng các kịch bản vỡ đập. .......................................................................81 3.3.1 Tính toán các thông vỡ đập. ......................................................................81 3.3.2 Thiết lập mô hình HEC HMS tính toán mô phỏng vỡ đập. [14] ...............82 3.3.3 Kết quả tính toán lƣu lƣợng gây ra do vỡ đập...........................................83 3.4 Kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt. ..................................................................84 3.5 Kết quả thống kê diện tích ngập lụt .................................................................88 3.6 Kết quả thống kê thiệt hại. ...............................................................................93 3.7 Phƣơng án phòng và giảm nhẹ thiệt hại do sự cố vỡ đập gây ra. ..................102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 106 PHỤ LỤC 107 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các nguyên nhân vỡ đập. [1] ...........................................................................5 Hình 1.2 Hình ảnh vỡ đập Teton năm 1976 ...................................................................6 Hình 1.3 Những căn nhà ngập gần tới nóc tại huyện Nghi Xuân, Hà Tĩnh. ................11 Hình 1.4 Vỡ đập Mông Dƣơng – Quảng Ninh. [2] ......................................................13 Hình 1.5 Mô hình vật lí mô phỏng vỡ đập. [3].............................................................16 Hình 1.6 Hình thức vỡ tràn đỉnh ...................................................................................19 Hình 1.7 Hình thức vỡ xói ngầm .................................................................................19 Hình 1.8 Hình dạng và cơ chế hình thành vết vỡ [5]. ..................................................20 Hình 2.1 Sơ thộ thống kê diện tích ngập các loại đất theo cấp độ ngập. .....................29 Hình 2.2 Đƣờng cong thiệt hại tƣơng ứng với từng loại đất. [7] [8] ............................31 Hình 2.3 Bản đồ vị trí hồ Núi Cốc................................................................................33 Hình 2.4 Bản đồ số hóa độ cao tỉnh Thái Nguyên .......................................................36 Hình 2.5 Bản đồ sử dụng đất khu vực chịu ảnh hƣởng trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. .......................................................................................................................................41 Hình 2.6 Bản đồ mạng lƣới trạm Khí tƣợng Thuỷ văn tỉnh Thái Nguyên ...................44 Hình 3.1 Quan hệ Z-F-V ..............................................................................................63 Hình 3.2 Địa hình hạ du hồ Núi Cốc. ...........................................................................65 Hình 3.3 Mặt cắt ngang đo đạc bổ sung năm 2016 hạ du hồ Núi Cốc. ........................66 Hình 3.4 Đƣờng quá trình tới hồ với P = 1% ...............................................................67 Hình 3.5 Đƣờng quá trình tới hồ với P = 0.2% ............................................................67 Hình 3.6 Sơ đồ tính toán thủy lực lũ lƣu vực sông Cầu - Thƣơng - Lục Nam.............70 Hình 3.7 Chi tiết lƣới phần tử ngay sau hạ du hồ. ........................................................71 Hình 3.8Giới hạn vùng nghiên cứu của mô hình .........................................................71 Hình 3.9 Kết nối mô hình 1-2 chiều bằng mô hình MIKE FLOOD ............................73 Hình 3.10 Quá trình hiện chỉnh mô hình ......................................................................74 Hình 3.11 Các vị trí điều tra vết lũ. ..............................................................................75 Hình 3.12 Kết quả hiệu chỉnh mực nƣớc tại trạm Phúc Lộc Phƣơng VIII/1996 ........76 Hình 3.13 Kết quả hiệu chỉnh mực nƣớc tại trạm Đáp Cầu VIII/1996. .......................76 Hình 3.14 Kết quả hiệu chỉnh mực nƣớc tại trạm Phủ Lạng Thƣơng VIII/1996 .........77 Hình 3.15 Kết quả hiệu chỉnh mực nƣớc tại trạm Lục Nam VIII/1996. ......................77 Hình 3.16 Kết quả kiểm định mực nƣớc tại trạm Phúc Lộc Phƣơng VIII/2002. .........79 Hình 3.17 Kết quả kiểm định mực nƣớc tại trạm Đáp Cầu VIII/2002. ........................79 Hình 3.18 Kết quả kiểm định mực nƣớc tại trạm Phủ Lạng Thƣơng VIII/2002. .........80 Hình 3.19 Kết quả kiểm định mực nƣớc tại trạm Lục Nam VIII/2002 ........................80 Hình 3.20 Mô hình hóa hồ Núi Cốc .............................................................................82 Hình 3.21 Thông số trƣờng hợp vỡ đập tràn đỉnh ........................................................82 Hình 3.22 Thông số trƣờng hợp vỡ đập xói ngầm .......................................................82 Hình 3.23 Kết quả mô phỏng vỡ đập tràn đỉnh tƣơng ứng với lũ đến hồ 1% ..............83 Hình 3.24 Kết quả mô phỏng vỡ đập tràn đỉnh tƣơng ứng với lũ đến hồ 0.2% ...........84 v Hình 3.25 Kết quả mô phỏng vỡ đập trƣờng hợp xói ngầm.........................................84 Hình 3.26 Bản đồ ngập lụt do vỡ đập xói ngầm(KB1). ...............................................85 Hình 3.27 Bản đồ ngập lụt do vỡ đập tràn đỉnh lũ đến hồ P = 1% (KB2) ...................86 Hình 3.28 Bản đồ ngập lụt do vỡ đập tràn đỉnh lũ đến hồ P = 0.2% (KB3) ................87 Hình 3.29 Biểu đồ so sánh tổng thiệt hại các loại đất giữa các kịch bản .....................92 Hình 3.30 Mức độ thiệt hại ứng với từng loại đất ứng với trạng thái ngập(KB1) .......94 Hình 3.31 Mức độ thiệt hại ứng với từng loại đất ứng với trạng thái ngập(KB2) .......95 Hình 3.32 Mức độ thiệt hại ứng với từng loại đất ứng với trạng thái ngập(KB3) .......96 Hình 3.33 So sánh thiệt hại tiềm năng do ngập ứng với từng cấp độ sâu ngập KB1. .....................................................................................................................................100 Hình 3.34 So sánh thiệt hại tiềm năng do ngập ứng với từng cấp độ sâu ngập KB2. .....................................................................................................................................100 Hình 3.35 So sánh thiệt hại tiềm năng do ngập ứng với từng cấp độ sâu ngập KB3. .....................................................................................................................................101 Hình 3.36 Đƣờng lũy tích thiệt hại tiềm năng theo độ sâu ngập. ..............................102 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các công thức hay đƣợc sử dụng [5] .............................................................21 Bảng 2.1 Thiệt hại lớn nhất cho 1 đợn vị diện tích sử dụng đất. ...................................30 Bảng 2.2 Mạng lƣới trạm khí tƣợng - thủy văn trên tỉnh Thái Nguyên ........................42 Bảng 2.3 Lƣợng mƣa trung bình nhiều năm các trạm tỉnh Thái Nguyên .....................46 Bảng 2.4 Nhiệt độ các tháng trong năm tỉnh Thái Nguyên ...........................................47 Bảng 2.5 Đặc trƣng hình thái lƣu vực sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên ..........50 Bảng 2.6 Phân phối dòng chảy trung bình tháng tại các trạm .......................................51 Bảng 2.7 Tần suất dòng chảy năm tại một số trạm .......................................................51 Bảng 2.8 Lƣu lƣợng trung bình tháng trong thời gian quan trắc tại các trạm ...............51 Bảng 2.9 Các đặc trƣng thống kê dòng chảy năm của một số lƣu vực trên hệ thống sông Công ......................................................................................................................52 Bảng 2.10 Đặc trƣng thống kê lũ Qmax của một số lƣu vực trên hệ thống sông Cầu ..54 Bảng 2.11 Đặc trƣng thống kê Qmin của một số lƣu vực trên hệ thống sông Cầu ......56 Bảng 2.12 Đặc trƣng thống kê Qthángmin của một số lƣu vực trên hệ thống sông Cầu .......................................................................................................................................57 Bảng 2.13 Một số chỉ tiêu kinh tế - xã hội tỉnh Thái Nguyên so với cả nƣớc. [10] ......60 Bảng 3.1 Các biên gia nhập khu giữa ............................................................................68 Bảng 3.2 Bảng thống kê các kịch bản tính toán các trƣờng hợp vỡ đập. ......................68 Bảng 3.3 Thông tin kết nối mô hình 1-2D ....................................................................72 Bảng 3.4 Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại một số trạm theo trân lũ 8/1996. .................75 Bảng 3.5 Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại các vị trí điều tra theo trận lũ 8/1996. .........78 Bảng 3.6 Kết quả kiểm định mô hình tại một số trạm theo trân lũ 8/2002 ...................78 Bảng 3.7 Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại các vị trí điều tra theo trận lũ 8/2002. .........80 Bảng 3.8 Các công thức hay đƣợc sử dụng [5] .............................................................81 Bảng 3.9 Kết quả tính toán thông số vết vỡ trong các trƣờng hợp ứng với công thức Froehlich(2008). ............................................................................................................82 Bảng 3.10 Thống kê lƣu lƣợng xả lớn nhất và tổng lƣợng xả với các kịch bản tính toán. ...............................................................................................................................84 Bảng 3.11 Diện tích ngập với trƣờng hợp hồ vỡ đập do xói ngầm (KB1) (ha) ............89 Bảng 3.12 Diện tích ngập với trƣờng hợp hồ vỡ đập do tràn đỉnh lũ đền hồ có tần xuất 1% (KB2) (ha) ...............................................................................................................90 Bảng 3.13 Diện tích ngập với trƣờng hợp hồ vỡ đập do tràn đỉnh lũ đền hồ có tần xuất 0.2% (KB3) (ha) ............................................................................................................91 Bảng 3.14 Thiệt hại tiêm năng do vỡ đập xói ngầm (KB1) ..........................................97 Bảng 3.15 Thiệt hại tiềm năng do vỡ đập tràn đình lũ đến hồ có tần suất P= 1% (KB2) .......................................................................................................................................98 Bảng 3.16 Thiệt hại tiềm năng do vỡ đập tràn đình lũ đến hồ có tần suất P= 0.2% (KB3) .............................................................................................................................99 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài . Thái Nguyên là tỉnh miền núi, có nhiều sông ngòi chảy qua. Với vị trí nằm trọn trong lƣu vực sông Cầu và Sông Công, hàng năm thiên tai thƣờng xuất hiện nhiều với các dạng nhƣ bão, lũ, úng ngập...ảnh hƣởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế của tỉnh Thái. Vì vậy phòng chống lũ lụt là một trong những nhiệm vụ trọng tâm của tỉnh. Thời gian qua tỉnh Thái Nguyên đã chú trọng đầu tƣ xây dựng và nâng cấp các công trình phòng chống lũ trong đó phải kể đến hệ thống các hồ chứa. Trong công tác phòng chống lũ thì hồ chứa là một trong những biện pháp phòng chống lũ có hiệu quả. Tuy nhiên cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro, đặc biệt trong những năm gần đây do ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, tình hình thời tiết diễn ra bất thƣờng: mƣa to, bão lớn, hiện tƣợng sạt lở thƣợng nguồn tăng nguy cơ làm mất an toàn đập. Việt Nam gần đây xảy ra nhiều sự cố vỡ đập đã gây thiệt hại lớn về ngƣời và tài sản nhƣ năm 2010 vỡ đập Khe Mơ–Hà Tĩnh, năm 2015 vỡ đập Mông Dƣơng – Quảng Ninh, vỡ đập Huổi Củ - Điện Biên... Để phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại do sự cố vỡ đập gây ra, cần thiết xây dựng các kịch bản vỡ đập, dự báo về mức độ ngập lụt và thiệt hại ứng với các kịch bản để đƣa ra các phƣơng án ứng phó trong những tình huống vỡ đập khẩn cấp. Vì vậy đề tài “Đánh giá thiệt hại vùng hạ du do vỡ đập Hồ Núi Cốc – Thái Nguyên” có tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn sâu sắc, làm cơ sở đƣa ra các phƣơng án ứng phó giảm thiểu thiệt hại do vỡ đập sau hạ lƣu hồ núi Cốc góp phần rất lớn trong công tác quản lý phòng chống lũ lụt tỉnh Thái Nguyên nói riêng và trong cả nƣớc nói chung. 1 2. Mục tiêu của luận văn. - Xây dựng các kịch bản và mô phỏng quá trình vỡ đập Hồ Núi Cốc, diễn toán thủy lực dòng chảy lũ hạ lƣu hồ chứa ứng với các kịch bản vỡ đập. - Xây dựng bộ bản đồ phân vùng ngập lụt do vỡ đập Hồ Núi Cốc, tính toán diện tích ngập lụt tƣơng ứng với các cấp ngập và các kịch bản khác nhau. - Xác định và đánh giá thiệt hại theo các kịch bản vỡ đập. Từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật, các phƣơng án phòng tránh, giảm thiểu thiệt hại do vỡ đập. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu: Hồ Núi Cốc thuộc tỉnh Thái Nguyên Phạm vi nghiên cứu: Vùng hạ du Hồ Núi Cốc thuộc sông Công. Toàn bộ vùng hạ du hồ Núi Cốc bao gồm: Thành phố Sông Công; thị xã Phổ Yên; huyện Phú Bình (có các xã: Thƣợng Đình, Điềm Thụy, Nhã Lộng, Úc Kỳ, Nga My, Hà Châu); Thành phố Thái Nguyên (có các xã, phƣờng: Phúc Xuân, Phúc Trìu, Tân Cƣơng, Thịnh Đức, Thịnh Đán, Tích Lƣơng, Tân Thành, Lƣơng Sơn, các phƣờng khu vực trung tâm và phía nam thành phố Thái Nguyên); huyện Đại Từ (có xã Phúc Tân); các xã ven sông Cầu thuộc phía nam huyện Đồng Hỷ. Tổng diện tích tự nhiên toàn vùng: 353.318,91ha, đất sản xuất nông nghiệp: 108.074,68 ha, đất phi nông nghiệp: 45.637,80 ha, đất chƣa sử dụng: 13.669,79ha. 4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu. - Cách tiếp cận: + CáchTiếp cận lịch sử, kế thừa và bổ sung + Cách tiếp cận hệ thống, phân tích và tổng hợp + Cách tiếp cận thực tiễn + Cách tiếp cận theo nhu cầu - Phƣơng pháp nghiên cứu + Phương pháp thống kê, xử lý số liệu: Thu thập và xử lý số liệu, các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu. 2 + Phương pháp mô hình toán: Phân tích và lựa chọn các mô hình toán phù hợp để sử dụng mô phỏng quá trình vỡ đập hồ chứa, tính toán thủy lực hạ lƣu hồ chứa. + Phương pháp viễn thám và GIS: Xây dựng các tiểu lƣu vực từ mô hình số hóa độ cao (DEM); xây dựng mạng lƣới sông… + Phương pháp tích hợp: Liên kết kêt quả thủy lực với hệ thống thông tin địa lý xây dựng bản đồ ngập lụt… + Phương pháp kế thừa: Tham khảo và kế thừa các tài liệu, kết quả báo cáo nghiên cứu của các tác giả, cơ quan và tổ chức. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VỠ ĐẬP VÀ ĐÁNH GIÁ THIỆT HẠI 1.1 Tổng quan về vỡ đập 1.1.1 Các nguyên nhân gây vỡ đập Đập là công trình trữ nƣớc. Vỡ đập có thể có nhiều hình thức, bao gồm cả sự trƣợt, sụt đổ hoặc vỡ thân đập. Hồ chứa có trữ lƣợng lớn khi vỡ đập có thể gây ra lũ lụt lớn ở hạ lƣu. Vỡ đập có thể do bất kỳ một, hoặc một sự kết hợp, trong những nguyên nhân sau đây: - Biến đối khí hậu mƣa tập trung với cƣờng xuất lớn, lũ xảy ra bất thƣờng, trái với quy hoạch. Phần lớn các hồ đƣợc xây dựng trƣớc thập kỷ 80 theo tiêu chuẩn cũ, tràn xả lũ thiếu khả năng thoát lũ, không đầy đủ tài liệu tính toán (tài liệu khí tƣợng, thuỷ văn, địa chất..). - Năng lực đập tràn không đầy đủ, dẫn đến tràn đỉnh. - Vật liệu đƣa vào thi công các hạng mục, sau thời gian dài khai thác sử dụng các kết cấu bị mục. - Xói mòn nội bộ gây ra bởi kè, rò rỉ thân đập hoặc đƣờng ống - Bảo dƣỡng không đúng, trong đó có vỡ đập khi loại bỏ cây, sửa chữa các vấn đề rò rỉ nội bộ, hoặc duy trì hoạt động của cửa xả, van các thành phần hoạt động khác - Thiết kế không đúng cách hoặc sử dụng các vật liệu xây dựng không đúng - Sạt lở đất vào các hồ chứa, gây dâng dẫn đến tràn đỉnh. - Động đất, mà thƣờng gây ra các vết nứt theo chiều dọc tại các đỉnh của kè, dẫn đến vỡ đập. - Chất lƣợng công tác khảo sát, thiết kế cũ theo tiêu chuẩn cũ; không còn phù hợp với thực tế hiện trạng, thƣờng xuyên kiểm tra công trình để phát hiện kịp thời việc thấm 4 nƣớc qua thân đập, mang cống gây vỡ đập (hồ Z20, hồ Đá Bạc tỉnh Hà Tĩnh; hồ Tây Nguyên, tỉnh Nghệ An). - Công nghệ thi công trƣớc kia còn hạn chế: Chất lƣợng thi công xử lý nền, đất đắp tại các vị trí tiếp giáp (thân với nền, nền, các vai, mang công trình...) không đảm bảo chất lƣợng, gây thấm qua thân đập, nền đập. - Phân cấp quá sâu cho huyện xã quản lý hồ đập. Do vậy không có cán bộ chuyên ngành thuỷ lợi đủ năng lực. Thiếu các thiết bị quan trắc đo, thăm dò dẫn đến không phát hiện đƣợc và kịp thời xử lý các hƣ hỏng. - Nguyên nhân phá hoại khác. Hình 1.1 Các nguyên nhân vỡ đập. [1] 5 Hình 1.2 Hình ảnh vỡ đập Teton năm 1976 Tuy có rất nhiều nguyên nhân kể trên nhƣng ta có thể nhận thấy khi đập vỡ có thể vỡ theo 2 dạng chính vỡ tràn đỉnh (overtopping) khi khả năng xả của hồ nhỏ hơn khi lũ đến (lũ PMF, hỏng cửa van ....) và vỡ xói ngầm (pipping) khi xuất hiện dòng chảy qua thân đập (do thấm, hoặc do động đất tạo ra vết nứt trên thân đập). 1.1.2 Một số trường hợp vỡ đập trên thế giới và Việt Nam. 1.1.2.1 Trường hợp vỡ đập trên thế giới a. Đập Bản Kiều, Trung Quốc Đây là con đập đƣợc xây dựng trên sông Ru tỉnh Hà Nam, Trung Quốc, đập đƣợc làm bằng đất sét và cao 24,5m sau khi gia cố đƣợc các chuyên gia Xô Viết đánh giá là "đập thép". Sự cố vào năm 1975 đã làm con đập này bị vỡ và gây ra thiệt hại nặng nề. Sau đó nó đã đƣợc xây dựng lại. Trong mùa lũ năm 1975, đập đã bị vỡ làm cho 175.000 ngƣời thiệt mạng và hơn 11 triệu ngƣời khác mất nhà cửa. Sự cố này cũng đã phá hủy 1 nguồn năng lƣợng khổng lồ đang cung cấp cho Trung Quốc. Với công suất lên đến 18 GW, tƣơng đƣơng 9 nhà máy nhiệt điện hay 20 lò phản ứng hạt nhân, nhà máy thủy điện này đƣợc xem là có khả năng đáp ứng 1/3 nhu cầu sử dụng vào lúc cao điểm của cả Vƣơng quốc Anh. 6 Nguyên nhân là do thiếu thông tin liên lạc. Liên lạc giữa các hồ chứa trong hệ thống bị cắt đứt. Dự báo sai về lƣợng mƣa. Chần chừ trong việc xả bỏ một lƣợng dự trữ thế năng của nƣớc và do thiếu dữ liệu thủy văn. [2] b. Đập Kelly Barnes, Mỹ Kelly Barnes là đập đắp bằng đất ở bang Georgia, Mỹ. Ngày 6/11/1977 nó đã bị vỡ sau 1 trận mƣa lớn làm 39 ngƣời thiệt mạng và thiệt hại về tài sản lên đến 3.8 triệu USD. Sau 1 trận mƣa rất lớn kéo dài trong từ trƣa đến đêm 5/11 sáng sớm ngày 6/11/1977, vào lúc 1h30, con đập đã vƣợt qua giới hạn chịu đựng và ồ ạt tuôn nƣớc về phía hạ lƣu. Theo điều tra, nguyên nhân dẫn đến sự cố là khi xây dựng các kĩ sƣ đã tính toán sai về độ dốc mái đập. Điều này đã làm thay đổi trọng tâm và khả năng chịu lực của con đập trong điều kiện trời mƣa lớn. Mặc dù chỉ là một sự cố nhỏ cũng có thể làm cả con đập bị nƣớc cuốn trôi và nguyên nhân chính là do khối đất có kích thƣớc 3,7x9,1m bị cuốn trôi lúc ban đầu gây ra sự cố. [2] c. Đập hồ Lawn, Mỹ Đây là đập đất đƣợc xây dựng trong công viên quốc gia Rocky Mountain, Mỹ. Nó đã bị sập vào ngày 15/7/1982 với lƣợng nƣớc tràn ra lên đến 830.000 m3 thiệt hại kinh tế lên đến 31 triệu USD. Lawn là hồ tự nhiên với diện tích mặt nƣớc là 66.000 m2 ở độ cao 3.3km so với mực nƣớc biển trên dãy núi Rocky. Năm 1903, nhóm những nông dân trong khu vực đã xây dựng 1 con đập bằng đất để tăng diện tích mặt nƣớc của hồ lên đến 190.000m2 với mục đích cung cấp nƣớc cho tƣới tiêu thủy lợi trong vùng. Khi con đập bị vỡ, lƣợng nƣớc khổng lồ đã chạy xuống thung lũng phía dƣới với tốc độ 510m3/s tạo nên rãnh lớn dƣới thung lũng làm. Với tốc độ khủng khiếp này, cả hồ nƣớc đã cạn chỉ trong khoảng 1 phút. [2] d.Đập Tirlyansky (LB Nga) 7 Đập Tirlyansky đƣợc xây trên sông Belaya phát tích từ dãy núi Ural chảy trong vùng Bashkortostan rồi đổ vào sông Kama, một phụ lƣu của sông Volga là sông lớn nhất châu Âu. Sông Belaya dài 1430km có lƣu vực rộng 142000 km2. Tháng 5/1994, lũ lớn đổ về và cửa van bị kẹt, nƣớc ở thƣợng lƣu đập dâng cao phá vỡ phần đập đất. [2] 1.1.2.2 Trường hợp vỡ đập tại Việt Nam. Theo thống kê và khảo sát sơ bộ của cơ quan chức năng, Việt Nam có hơn hai trăm đập và hơn 95% trong số đó là không đạt yêu cầu. Phần lớn đập và hồ chứa tập trung ở miền Trung, nơi có độ dốc cao (một bên giáp núi, một phía giáp biển). Vì vậy, những lần xả lũ và vỡ đập gây ra hậu quả kinh hoàng cho toàn bộ ngƣời dân trong khu vực. [2] a. Đập Suối Hành ở Khánh Hoà Đập Suối Hành có một số thông số cơ bản sau: Dung tích hồ: 7,9 triệu m3 nƣớc, chiều cao đập: 24m, chiều dài đập: 440m. Đập đƣợc khởi công từ tháng 10/1984, hoàn công tháng 9/1986 và bị vỡ vào 2 giờ 15 phút đêm 03/12/1986. Thiệt hại do vỡ đập: Trên 100 ha cây lƣơng thực bị phá hỏng, 20 ha đất trồng trọt bị cát sỏi vùi lấp, 20 ngôi nhà bị cuốn trôi, 4 ngƣời bị nƣớc cuốn chết. Nguyên nhân: Khi thí nghiệm vật liệu đất đã bỏ sót không thí nghiệm 3 chỉ tiêu rất quan trọng là độ tan rã, độ lún ƣớt và độ trƣơng nở, do đó đã không nhận diện đƣợc tính hoàng thổ rất nguy hiểm của các bãi từ đó đánh giá sai lầm chất lƣợng đất đắp đập. Công tác khảo sát địa chất quá kém, các số liệu thí nghiệm về đất bị sai rất nhiều so với kết quả kiểm tra của các cơ quan chuyên môn của Nhà nƣớc nhƣ Trƣờng Đại học Bách khoa TP. HCM, Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam. Vật liệu đất có tính chất phức tạp, không đồng đều, khác biệt rất nhiều, ngay trong một bãi vật liệu các tính chất cơ lý lực học cũng đã khác nhau nhƣng không đƣợc mô tả và thể hiện đầy đủ trên các tài liệu. Do việc đất trong thân đập không đồng nhất, độ chặt không đều cho nên sinh ra việc lún không đều, những chỗ bị xốp đất bị tan rã khi gặp nƣớc gây nên sự lún sụt trong thân đập, dòng thấm nhanh chóng gây nên luồng nƣớc xói xuyên qua đập làm vỡ đập. 8 Việc lựa chọn sai lầm dung trọng khô thiết kế của đất đắp đập là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự cố vỡ đập. Kỹ sƣ thiết kế không nắm bắt đƣợc các đặc tính cơ bản của đập đất, không kiểm tra để phát hiện các sai sót trong khảo sát và thí nghiệm nên đã chấp nhận một cách dễ dàng các số liệu do các cán bộ địa chất cung cấp. Không có biện pháp xử lý độ ẩm thích hợp cho đất đắp đập vì có nhiều loại đất khác nhau có độ ẩm khác nhau, bản thân độ ẩm lại thay đổi theo thời tiết nên nếu ngƣới thiết kế không đƣa ra giải pháp xử lý độ ẩm thích hợp sẽ ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu quả đầm nén và dung trọng của đất. Lựa chọn kết cấu đập không hợp lý. Khi đã có nhiều loại đất khác nhau thì việc xem đập đất là đồng chất là một sai lầm lớn, lẽ ra phải phân mặt cắt đập ra nhiều khối có các chỉ tiêu cơ lý lực học khác nhau để tính toán an toàn ổn định cho toàn mặt cắt đập. Khi đã có nhiều loại đất khác nhau mà tính toán nhƣ đập đồng chất cũng là 1 nguyên nhân quan trọng dẫn đến sự cố đập Suối Hành. Trong thi công cũng có rất nhiều sai sót nhƣ bóc lớp đất thảo mộc không hết, chiều dày rải lớp đất đầm quá dày trong khi thiết bị đầm nén lúc bấy giờ chƣa đƣợc trang bị đến mức cần thiết và đạt yêu cầu, biện pháp xử lý độ ẩm không đảm bảo yêu cầu chất lƣợng, xử lý nối tiếp giữa đập đất và các mặt bê tông cũng nhƣ những vách đá của vai đập không kỹ cho nên thân đập là tổ hợp của các loại đất có các chỉ tiêu cơ lý lực học không đồng đều, dƣới tác dụng của áp lực nƣớc sinh ra biến dạng không đều trong thân đập, phát sinh ra những kẽ nứt dần dần chuyển thành những dòng xói phá hoại toàn bộ thân đập. b. Đập Suối Trầu ở Khánh Hoà Đập Suối Trầu ở Khánh Hoà bị sự cố 4 lần: + Lần thứ 1: Năm 1977 vỡ đập chính lần 1 + Lần thứ 2: Năm 1978 vỡ đập chính lần 2 + Lần thứ 3: Năm 1980 xuất hiện lỗ rò qua đập chính 9 + Lần thứ 4: Năm 1983 sụt mái thƣợng lƣu nhiều chỗ, xuất hiện 7 lỗ rò ở đuôi cống. Đập Suối Trầu có dung tích 9,3 triệu m3 nƣớc, chiều cao đập cao nhất: 19,6m, chiều dài thân đập: 240m. Nguyên nhân của sự cố: Về thiết kế: Xác định sai dung trọng thiết kế. Trong khi dung trọng khô đất cần đạt g = 1,84T/m3 thì chọn dung trọng khô thiết kế gk = 1,5T/m3 cho 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 ngƣời đầm đứng đầm đất ở mang cống. Đất đắp không đƣợc chọn lọc, nhiều nơi chỉ đạt dung trọng khô gk = 1,4T/m3, đổ đất các lớp quá dày, phía dƣới mỗi lớp không đƣợc đầm chặt. Về quản lý chất lƣợng: + Không thẩm định thiết kế. + Giám sát thi công không chặt chẽ, nhất là những chỗ quan trọng nhƣ mang cống, các phần tiếp giáp giữa đất và bê tông, không kiểm tra dung trọng đầy đủ. + Số lƣợng lấy mẫu thí nghiệm dung trọng ít hơn quy định của tiêu chuẩn, thƣờng chỉ đạt 10% và không đánh dấu vị trí lấy mẫu. Nhƣ vậy, sự cố vỡ đập Suối Trầu đều do lỗi của thiết kế, thi công và quản lý. c. Đập Am Chúa ở Khánh Hoà Đập Am Chúa ở Khánh Hoà đƣợc hoàn thành năm 1986, sau khi chuẩn bị khánh thành thì lũ về làm nƣớc hồ dâng cao, xuất hiện lỗ rò từ dƣới mực nƣớc dâng bình thƣờng rồi từ lỗ rò đó chia ra làm 6 nhánh nhƣ những vòi của con bạch tuộc xói qua thân đập làm cho đập vỡ hoàn toàn chỉ trong 6 tiếng đồng hồ. d. Tháng 6 năm 2009, vỡ đập Ke 2/20 Rec 10 Vỡ đập Ke 2/20 Rec, xã Hƣơng Trạch (Hƣơng Khê), làm hỏng tuyến đƣờng sắt Bắc Nam, ảnh hƣởng đến hàng chục ha đất nông nghiệp. Nguyên nhân từ cả công tác tƣ vấn thiết kế, thi công và công tác quản lý đã không kiểm tra và phát hiện kịp thời nƣớc chảy qua mang cống gây xói lở và làm vỡ đập. Hình 1.3 Những căn nhà ngập gần tới nóc tại huyện Nghi Xuân, Hà Tĩnh. Mới đây, trận mƣa lũ 2010, nƣớc lũ đã dâng qua mặt đập tràn (hơn 1 mét) của hồ chứa nƣớc thủy điện Hố Hô ở Hƣơng Khê. Nếu không có sự ứng cứu kịp thời của các lực lƣợng chức năng thì không biết điều tồi tệ gì sẽ đến khi 38 triệu m3 nƣớc từ độ cao 67 mét đổ ụp xuống vùng hạ du sầm uất ngay dƣới chân đập. e. Đập thủy điện Đakrông 3 Khoảng 7 giờ ngày 7/10/2012, hai khoang tràn (ngang 20 m, cao 6 m) bên trên của đập chính nhà máy đã bị vỡ. Nguyên nhân là do công trình đang trong quá trình thi công hoàn thiện, kết hợp với việc tích nƣớc lòng hồ để thử tải tổ máy và mƣa lũ lớn làm cho đập chắn của công trình thủy điện Đakrông 3 bị vỡ. Tổng thiệt hại ƣớc tính khoảng 20 tỉ đồng. d. Hai đập Đồng Đáng và Khe Luồng 11 Vào ngày 1/10/ 2013 do mực nƣớc từ thƣợng nguồn đổ về vƣợt quá mức thiết kế khiến 2 đập Đồng Đáng và Khe Luồng huyện Tĩnh Gia – Thanh Hóa bị vỡ, gây ngập lụt nghiêm trọng cho địa bàn dân cƣ xung quanh quanh khiến 1000 hộ dân bị ngập. Vụ vỡ đập thiệt hại nặng nề cho ngƣời dân, thiệt hại về nuôi trồng thủy sản thiệt hại lên đến hàng tỷ đồng. Nguyên nhân dẫn đến vỡ đập đƣợc xác định là do mƣa lớn trong nhiều giờ liền, lại đúng lúc triều cƣờng, mực nƣớc nhanh chóng vƣợt ngƣỡng khiến các đập bị vỡ. Các nguyên nhân chính gây vỡ đập: Khảo sát xác định sai chỉ tiêu của đất đắp đập, không xác định đƣợc tính chất tan rã, lún ƣớt và trƣơng nở của đất nên không cung cấp đủ các tài liệu cho ngƣời thiết kế để có biện pháp xử lý. Thiết kế không nghiên cứu kỹ sự không đồng nhất của các bãi vật liệu nên vẫn cho rằng đây là đập đồng chất nên khi nƣớc dâng các bộ phận của đập làm việc không đều gây nứt nẻ, sụt lún, tan rã, hình thành các vết nứt và các lỗ rò. Thi công không đảm bảo chất lƣợng, đầm đất không đạt dung trọng nên khi hồ bắt đầu chứa nƣớc, đất không đƣợc cố kết chặt, gặp nƣớc thì tan rã. f. Vỡ đập Mông Dƣơng – Quảng Ninh 7/2015 Mƣa lớn kéo dài, vào lúc 3 giờ sáng 30/7, đập nƣớc 790 tại phƣờng Mông Dƣơng, thành phố Cẩm Phả (Quảng Ninh) đã bị vỡ khoảng 3m sau nhiều ngày phải hứng chịu áp lực của một lƣợng lớn đất đá từ bãi thải Đông Cao Sơn, thuộc mỏ than Cao Sơn dồn xuống. 12 Hình 1.4 Vỡ đập Mông Dƣơng – Quảng Ninh. [2] 1.1.3 Tình hình nghiên cứu vỡ đập trong nước và ngoài nước. 1.1.3.1 Tình hình nghiên cứu vỡ ở nước ngoài. Việc nghiên cứu cảnh báo vỡ đập trong điều kiện bất lợi đối với hạ lƣu công trình đã đƣợc thực hiện tại các nƣớc trên thế giới nhƣ Mỹ, Châu Âu, Trung Quốc và nhiều nƣớc khác, đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới và trong nƣớc. Văn bản quy phạm pháp luật đầu tiên ở Châu Âu về rủi ro vỡ đập đƣợc ban hành ở Pháp năm 1968 sau khi đập Malpasset bị vỡ năm 1959 làm trên 400 ngƣời bị chết và mất tích. Một trong các cơ quan có kinh nghiệm nghiên cứu về vỡ đập là Phòng thí nghiệm Thủy lực Quốc gia Pháp. Một mô hình cho chức năng nghiên cứu vỡ đập thƣờng có 3 mô đun cơ bản là: + Mô tả vết vỡ theo kích thƣớc hình học và phát triển vết vỡ theo thời gian; + Tính đƣờng quá trình lƣu lƣợng chảy qua vết vỡ; + Diễn toán quá trình sóng vỡ đập xuống hạ lƣu. 13