Tài liệu Nghiên cứu tình trạng xói lở hạ lưu đập dâng và giải pháp khắc phục áp dụng cho công trình đập dâng cây gai tỉnh bình định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  NGUYỄN THANH LÂM NGHIÊN CỨU TÌNH TRẠNG XÓI LỞ HẠ LƢU ĐẬP DÂNG VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC- ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP DÂNG CÂY GAI TỈNH BÌNH ĐỊNH Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số : 62.58.02.02 LUẬN VĂN THẠC SỸ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. VŨ HUY CÔNG Đà Nẵng - Năm 2018 Luận văn thạc sĩ Trang i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Vũ Huy Công đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Sở Nông nghiệp và PTNN Bình Định, Công ty cổ phần tư vấn xây dựng thủy lợi-thủy điện Bình Định nơi tác giả công tác đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả nghiên cứu và thu thập tài liệu phục vụ cho luận văn này. Tác giả xin chân thành biết ơn đến gia đình và bạn bè đã ủng hộ, khuyến khích và chia sẻ mọi khó khăn để tác giả hoàn thành tốt chương trình học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô phòng Đào tạo đại học và sau đại học trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả được trình bày luận văn này. Tác giả Nguyễn Thanh Lâm Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang ii LỜI CAM ĐOAN Học viên Nguyễn Thanh Lâm cam kết rằng Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật với tên đề tài: “Nghiên cứu tình trạng xói lở hạ lƣu đập dâng và giải pháp khắc phục- Áp dụng cho công trình đập dâng Cây Gai tỉnh Bình Định” được học viên lựa chọn và nghiên cứu là công trình của cá nhân học viên. Tác giả Nguyễn Thanh Lâm Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ I LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................II MỤC LỤC ................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC BẢNG.........................................................................................VII DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... VIII MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1 CHƢƠNG 1. ...................................................................................................................3 TỔNG QUAN VỀ XÓI Ở HẠ LƢU ĐẬP DÂNG ......................................................3 1.1. Tổng quan về đập dâng ..........................................................................................3 1.1.1. Khái quát về đập dâng ........................................................................................3 1.1.2. Phân loại đập dâng ..............................................................................................3 1.1.3. Tình hình xây dựng đập dâng hiện nay ở Việt Nam ........................................4 1.2. Tiêu năng sau đập dâng .........................................................................................6 1.2.1. Khái quát chung về tiêu năng .............................................................................6 1.2.2. Các hình thức tiêu năng ......................................................................................6 1.2.3. Đoạn sau sân tiêu năng........................................................................................6 1.2.4. Với các đập không có thiết bị tiêu năng ............................................................7 1.3. Xói sau đập dâng ....................................................................................................7 1.3.1. Khái niệm .............................................................................................................7 1.3.2. Nguyên nhân xói sau đập dâng...........................................................................7 1.4. Các biện pháp phòng chống và khắc phục xói sau đập dâng .............................8 1.4.1. Đánh giá khả năng xuất hiện xói theo các yếu tố khác nhau ..........................8 1.4.2. Các giải pháp phòng chống xói.........................................................................10 1.5. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................13 1.6. Đánh giá và nhận xét chung về tính hình nghiên cứu xói ................................13 CHƢƠNG 2:.................................................................................................................15 HIỆN TRẠNG ĐẬP DÂNG VÀ XÓI HẠ LƢU ĐẬP DÂNG Ở TỈNH BÌNH ĐỊNH .............................................................................................................................15 2.1. Điều kiện tự nhiên, dân sinh kinh tế xã hội tỉnh Bình Định .............................15 2.1.1. Vị trí địa lý .........................................................................................................15 2.1.2. Đặc điểm địa hình, địa chất ..............................................................................15 2.1.3. Khí hậu ...............................................................................................................15 2.1.4. Các hệ thống sông chính ở Bình Định .............................................................16 Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang iv 2.1.5. Dòng chảy năm ..................................................................................................18 2.1.6. Dòng chảy lũ. ......................................................................................................20 2.1.7. Dòng chảy mùa kiệt ...........................................................................................21 2.2. Hiện trạng thuỷ lợi và đập dâng .........................................................................21 2.2.1. Hiện trạng thủy lợi ............................................................................................21 2.2.2. Hiện trạng đập dâng ..........................................................................................23 2.3. Đánh giá xói sau đập dâng ...................................................................................24 2.3.1. Phân loại theo hình thức xói .............................................................................24 2.3.2. Phân loại theo độ dốc lƣu vực ..........................................................................24 2.3.3. Phân theo độ dốc lòng sông...............................................................................24 2.3.4. Phân loại xói theo hình thức tháo lũ ................................................................25 2.4. Sự xuất hiện xói sau đập dâng .............................................................................25 2.5. Về ảnh hƣởng của xói đến hiệu quả sử dụng .....................................................26 2.5.1. Hiệu quả cung cấp nƣớc cho hạ lƣu.................................................................27 2.5.2. Sự ảnh hƣởng đến các công trình hạ lƣu: .......................................................27 2.5.3. Công tác phòng chống lũ: .................................................................................27 2.5.4.Phòng chống thấm: .............................................................................................27 2.5.5. Đập có lƣu lƣợng thiết kế tháo qua cả hai bên vai đập: ................................27 2.6. Về ảnh hƣởng của xói đến an toàn đập ..............................................................27 2.7. Các công thức áp dụng .........................................................................................27 2.8. Áp dụng tính toán xói cho một số công trình .....................................................29 2.8.1. Đập Cây Me........................................................................................................29 2.8.2 Đập Lại Giang .....................................................................................................30 2.8.3. Đập Cây Mít .......................................................................................................31 2.9. Nguyên nhân, giải pháp khắc phục. ....................................................................32 2.9.1. Về nguyên nhân .................................................................................................32 2.9.2. Các giải pháp khắc phục. ..................................................................................32 2.9.3. Các vấn đề tồn tại và hƣớng giải quyết. ..........................................................33 ĐÁNH GIÁ XÓI VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC XÓI SAU ĐẬPDÂNG CÂY GAI -TỈNH BÌNH ĐỊNH ............................................................................................34 3.1. Giới thiệu chung về công trình ............................................................................34 3.1.1. Vị trí trí công trình ............................................................................................34 3.1.2. Các thông số cơ bản theo thông số xây dựng năm 1995 ................................34 3.1.3. Các hạng mục công trình xây dựng năm 1995 ...............................................34 3.2. Quá trình xây dựng và hiện trạng thủy lợi đập dâng Cây Gai ........................41 Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang v 3.2.1. Quá trình xây dựng ...........................................................................................41 3.2.2. Đặc điểm thông số công trình ...........................................................................41 3.3. Hiện trạng hƣ hỏng đập dâng..............................................................................43 3.3.1. Đánh giá nguyên nhân hƣ hỏng .......................................................................43 3.3.2. Tính toán kiểm tra tiêu năng hiện trạng: ........................................................45 3.4. Phƣơng án sửa chữa đập dâng Cây Gai .............................................................49 4.1. Mục đích mô phỏng ..............................................................................................51 4.2. Nội dung mô phỏng ..............................................................................................51 4.3. Giới thiệu phần mềm Ansys -FLuent .................................................................52 4.4. Cơ sở lý thuyết của phần mềm Ansys- Fluent ...................................................52 4.5. Các bƣớc chính thực hiện mô phỏng: .................................................................53 4.6. Các thông số sử dụng trong mô hình ..................................................................54 4.7. Thiết lập điều kiện biên ........................................................................................54 4.8. Xây dựng lƣới tính ................................................................................................55 4.9. Các trƣờng hợp mô phỏng ...................................................................................56 4.10. Kiểm định mô hình .............................................................................................57 4.11. Kết quả mô phỏng và bàn luận .........................................................................57 4.11.1 Đƣờng mực nƣớc ..............................................................................................57 4.11.2. Sự thay đổi vận tốc ..........................................................................................62 4.11.3 Mối quan hệ giữa vận ttốc dòng chảy qua tràn và vị trí của nƣớc nhảy sau dốc nƣớc: ......................................................................................................................63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................65 1. Những kết quả đạt đƣợc của luận văn...................................................................65 2. Những tồn tại của luận văn.....................................................................................65 3. Các hƣớng nghiên cứu giải quyết tồn tại...............................................................65 4. Kiến nghị ..................................................................................................................65 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................67 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ...................................................................................68 Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang vi NGHIÊN CỨU TÌNH TRẠNG XÓI LỞ HẠ LƢU ĐẬP DÂNG VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC- ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH ĐẬP DÂNG CÂY GAI TỈNH BÌNH ĐỊNH Học viên: NguyễnThanh Lâm Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 60.58.02.02 . Khóa: K33 Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Việc xây dựng công trình trên sông đã làm mất cân bằng của lòng dẫn và có thể gây xói lở ở hạ lưu. Xói xuất hiện ngay chân công trình, nơi có lưu tốc rất lớn lại phân bố không đều. Việc nghiên cứu về xói ở sau công trình tháo nước là một hiện tượng phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố về khách quan và cả chủ quan. Bình Định nơi có điạ hình bị chia cắt rất sâu, sườn núi trở nên dốc lớn. Sông suối tại đây có có độ dốc lớn và lưu tốc dòng chảy lớn, lưu lượng có biên độ dao động lớn, lại là vùng thường xuyên xuất hiện lũ ống, lũ quét. Do những yếu tố tự nhiên như vậy nên hiện tượng xói lở ở đây diễn ra thường xuyên và phức tạp, đặc biệt là xói ở sau công trình tháo nước. Trong luận văn này tác giả đã nghiên cứu hiện tượng xói lở ở sau đập dâng Cây Gai, một công trình đang bị xuống cấp nghiêm trọng. Bên cạnh đó phần mềm ANSYS FLUENT cũng được tác giả sử dụng để mô phỏng chế độ thủy lực. Kết quả của luận văn này sẽ là tài liệu tham khảo cho các nhà tư vấn và cơ quan quản lý ngành tại địa phương. Từ khóa - Xói sau đập, Ansys Fluent, nước nhảy, tiêu năng. STUDY ON THE EROSION OF THE DOWNSTREAM SURFACES OF DAMS IN BINHDINH PROVINCE - A CASE STUDY: CAY GAI DAM Abstract - Construction on the river has led to an imbalance of river conduction and cause erosion downstream. Erosion occurs right at the foot of dam, where there is a irregularly distributed flow. The study of erosion behind the works is a complex phenomenon and depends on many factors. In Binh Dinh province the terrain is deeply divided and the slope is steep. River streams have high slope and large flow velocity, this area is often flooded flood, flash flood. Due to such natural factors, the phenomenon of erosion occurs frequently and complexly, especially erosion after dam. In this thesis, the author studied the erosion phenomenon behind the Cay Gai Dam which is among dams being degraded in Binh Dinh province . ANSYS FLUENT software is also used to simulate hydraulics in this structure. The results of this thesis will be a reference for local consultants. Keywords - Erosion, Ansys Fluent, hydralic jump, dissipation energy Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1. Đặc trưng hình thái các lưu vực sông tỉnh Bình Định [7] ............................18 Bảng 2-2. Đặc trưng dòng chảy các sông chính trong tỉnh [7]. ....................................18 Bảng 2-3. Phân phối dòng chảy năm các sông chính trong tỉnh [7] .............................19 Bảng 2- 4. Bảng phân loại theo hình thức xói [7]. ........................................................24 Bảng 2-5. Bảng phân loại xói theo độ dốc lưu vực .......................................................24 Bảng 2-6. Bảng phân loại xói theo độ dốc lòng sông....................................................24 Bảng 2.7: Bảng tính toán xói cho đập Cây Me .............................................................29 Bảng 2-8. Bảng tính toán xói cho đập Lại Giang – Bình Định .....................................30 Bảng 2-9. Bảng tính toán xói cho đập Cây Mít – Phù Cát ............................................31 Bảng 3-10. Đặc điểm địa chất lớp 1 ..............................................................................36 Bảng 3-11. Đặc điểm địa chất lớp 2 ..............................................................................36 Bảng 3-12. Đặc điểm địa chất lớp 3 ..............................................................................37 Bảng 3-13. Bảng phân phối các đặc trưng nhiệt độ không khí ....................................38 Bảng 3-14. Bảng phân phối các đặc trưng độ ẩm tương đối .........................................38 Bảng 3-15. Bảng phân phối giờ nắng trong năm...........................................................38 Bảng 3-16. Bảng tốc độ gió lớn nhất theo hướng..........................................................39 Bảng 3-17. Lượng bốc hơi các tháng trong năm ...........................................................39 Bảng 3-18. Bảng phân phối tổn thất bốc hơi Z trong năm.........................................39 Bảng 3-19. Phân phối lượng mưa trung bình tháng và năm..........................................39 Bảng 3-20. Lưu lượng lũ chính vụ ................................................................................39 Bảng 3-21. Lũ tiểu mãn .................................................................................................40 Bảng 3-22. Cao trình mực nước lũ điều tra tại vị trí xây dựng công trình năm 2016: ..40 Bảng 3-23. Lưu lượng tính toán ....................................................................................40 Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1.Đập có lưu lượng tràn qua vai [11] ..................................................................3 Hình 1-2. Đập có lưu lượng tràn qua phần tràn [11] .......................................................4 Hình 1-3. Phân bố lưu tốc ở chân công trình và sự hình thành xói [11] .........................7 Hình 1-4. Xói hạ lưu đập không có thiết bị tiêu năng: a) hố xói chưa ảnh hưởng đến sự an toàn của đập; b) hố xói phát tiển mạnh khoét sâu vào chân đập [11].........................8 Hình 1-5. Xói hình thành đối với đập tính toán tiêu năng, tính toán xói phù hợp, hố xói chưa ảnh hưởng đến sự an toàn của đập [11] ..................................................................8 Hình 1-6. Xói hình thành đối với đập tính toán tiêu năng, tính toán xói không phù hợp, hố xói ảnh hưởng đến bể tiêu năng [11] ..........................................................................8 Hình 1-7. Gia cố sau sân tiêu năng [10]. .......................................................................10 Hình 1-8. Hình thức gia cố cứng sân sau ......................................................................11 Hình 1-9. Hình thức gia cố vật liệu nền ........................................................................11 Hình 2-10. Sơ đồ hố xói sau công trình tháo nước không có sân tiêu năng ..................29 Hình 2 -11. Sơ đồ hố xói sau công trình tháo nước có bể tiêu năng, với d0 ≠ dx .........30 Hình 2-12. Sơ đồ hố xói sau công trình tháo nước có bể tiêu năng,với d0 = dx ...........31 Hình 3-12. Kè bờ tả, hữu đập bị sạt mái và xói sâu ......................................................42 Hình 3-13. Sân sau bể tiêu năng bị lún sập và cuốn trôi ...............................................43 Hình 3-14. Bản vẽ hiện trạng công trình .......................................................................44 Hình 3-15. Phương án sửa chữa ....................................................................................50 Hình 4-16. Kết cấu và kích thước công trình ................................................................54 Hình 4-17. Thiết lập điều kiện biên của mô phỏng. ......................................................55 Hình 4-18. Xây dựng lưới tính cho mô hình (a)-(c) Các mặt cắt; (d) Chi tiết lưới gần trụ pin .............................................................................................................................56 Hình 4-19. Đường mực nước trên tuyến tràn ................................................................58 Hình 4-20. Vị trí nước nhảy xuất hiện...........................................................................59 Hình 4-21. Đường mực nước trong tuyến tràn khi mở hết cửa van ..............................60 Hình 4-22. Các đường dòng của dòng chảy qua công trình tràn ...................................61 Hình. 4-21. Sự thay đổi vận tốc của dòng chảy: (a) velocity contour, (b) vectơ vận tốc .......................................................................................................................................63 Hình 4-22. Sự phụ thuộc của vị trí nước nhảy vào độ lớn vận tốc dòng chả qua tràn ..64 Hình 4-23. Quan hệ giữa vị trí của nước nhảy với vận tốc dòng chảy qua tràn............64 Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việc xây dựng công trình trên sông đã làm mất cân bằng của lòng dẫn và có thể gây xói lở ở hạ lưu. Xói xuất hiện ngay chân công trình, nơi có lưu tốc rất lớn lại phân bố không đều. Hiện nay, việc nghiên cứu về xói ở hạ lưu công trình đã được nhiều nhà nghiên cứu thuỷ lực, thuỷ công ở trong nước và nước ngoài nghiên cứu đã thu được những kết quả nhất định. Tuy nhiên việc nghiên cứu về xói ở sau công trình tháo nước là một hiện tượng phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố về khách quan và cả chủ quan. Bình Định nơi có điạ hình bị chia cắt rất sâu, sườn núi trở nên dốc lớn. Sông suối tại đây có độ dốc lớn và lưu tốc dòng chảy lớn, lưu lượng có biên độ dao động lớn, lại là vùng thường xuyên xuất hiện lũ ống, lũ quét. Do những yếu tố tự nhiên như vậy nên hiện tượng xói lở ở đây diễn ra thường xuyên và phức tạp, đặc biệt là xói ở sau công trình tháo nước. Đặc biệt do nguồn kinh phí hạn hẹp hay kinh phí đầu tư xây dựng của phần đập đầu mối chiếm tỷ trọng quá lớn làm công trình không hiệu quả nên nhiều công trình đã sử dụng phương án có xả một phần lũ qua vai, coi phần vai tràn là một tràn sự cố hay tràn phụ, tuy nhiên hình thức này sẽ dẫn đến hiện tượng xói lở mạnh cả phần hạ lưu đập và phần vai đập. Tuy nhiên biện pháp công trình nay chưa được nghiên cứu cụ thể và chưa có những giải pháp mang tính khoa học toàn diện mà chỉ dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế. Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu tình trạng xói lở hạ lƣu đập dâng và giải pháp khắc phục – áp dụng cho công trình đập dâng Cây Gai tỉnh Bình Định” được học viên lựa chọn và nghiên cứu. 2. Mục đích của đề tài Đánh giá được hiện trạng các công trình đập dâng và hiện tượng xói hạ lưu công trình đập dâng ở tỉnh Bình Định. Đưa ra được các biện pháp khắc phục các hiện tượng xói, các biện pháp công trình mới để giảm thiểu hiện tượng xói. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: giải pháp hợp lý chống xói sau đập dâng - Phạm vi: Đập dâng Cây Gai, có phân tích mở rộng cho các công trình khác. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý luận: Các lý thuyết về quá trình xói và hình thức xói được nghiên cứu một cách đầy đủ. Phân tích các kết quả nghiên cứu có liên quan về vấn đề xói ở hạ lưu đập. Phương pháp so sánh thực tế: Thống kê các đập dâng đã và đang xuất hiện hiện tượng xói ở hạ lưu. Phân tích các nguyên nhân và bản chất gây nên xói. Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 2 Phương pháp điều tra: Khảo sát, điều tra đánh giá các đập dâng tràn trên toàn tỉnh Bình Định nhằm phát hiện các quy luật, các đặc điểm về hiện tượng xói. Kế thừa những thành tựu nghiên cứu đã có trước đây: Ứng dụng các mô hình toán, phần mềm chuyên ngành trong thiết kế tính toán. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài này có ý thực tiễn nhằm đưa ra các giải pháp cho vấn đề cấp bách hiện nay là chống xói phía sau các công trình đập dâng, cụ thể ở đây là công trình Cây Gai. Kết quả của đề tài là cơ sở có tính khoa học để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nhằm đảm bảo ổn định vận hành cho công trình. 6. Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận kiến nghị. Chƣơng 1: Tổng quan về xói ở hạ lưu đập Chƣơng 2: Hiện trạng đập dâng và xói hạ lưu đập dâng ở tỉnh Bình Định Chƣơng 3: Đánh giá xói và biện pháp khắc phục xói sau đập dâng Cây Gai tỉnh Bình Định Chƣơng 4: Mô phỏng chế độ thủy lực ---------oo0oo--------- Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XÓI Ở HẠ LƢU ĐẬP DÂNG 1.1. Tổng quan về đập dâng 1.1.1. Khái quát về đập dâng Đập dâng là một kiến trúc làm cho dòng chảy bị thu hẹp đứng hoặc ngang, chất lỏng bị ngăn lại và dâng cao rồi tràn qua, dòng chảy qua vật kiến trúc gọi là lưu lượng tràn. Đập dâng có thể là đập đầu mối độc lập hay là một bộ phận quan trọng trong hệ thống thủy lợi.[1] Nhiệm vụ cơ bản của đập dâng là dâng cao mực nước thượng lưu để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau: + Với bãi tưới cao hơn mực nước sông, kênh khi dâng cao mực nước có thể đưa nước tưới vào bãi tưới. + Một số đập dâng có thể tạo hồ chứa để điều tiết nước cho hạ lưu. + Dâng cao mực nước để tạo cột nước cho nhà máy thủy điện. Đập dâng cũng dùng để ngăn lũ, chậm lũ hay ngăn dòng chảy bùn cát. Với kết cấu và hình thức phù hợp nó có thể góp phần làm giảm xói ngược lòng kênh hay phá hủy kênh tiêu thoát nước. Một số trường hợp đập dâng còn được xây dựng để đưa nước sang lưu vực liền kề tiếp nước cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. 1.1.2. Phân loại đập dâng a. Phân loại theo hình thức tràn qua đập: + Lưu lượng tràn qua toàn bộ phần đập tràn; + Lưu lượng tràn qua cả hai bên vai đập tràn. Hình 1-1.Đập có lưu lượng tràn qua vai [11] Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 4 Hình 1-2. Đập có lưu lượng tràn qua phần tràn [11] b. Phân loại theo hình dạng và mặt cắt ngang đập dâng: + Đập dâng thành mỏng: khi chiều dày đỉnh đập δ< 0,67 H; + Đập dâng thực dụng: 0,67H <δ ≤ (2-3)H; + Đập dâng đỉnh rộng: (2-3)H≤ δ ≤ (8-10)H. c. Phân loại theo ngưỡng đập dâng trên mặt bằng: + Đập dâng thẳng hoặc chính diện; + Đập dâng hình cong; + Đập dâng xiên; + Đập dâng hình gẫy khúc; + Đập dâng hình zíczắc. d. Phân loại theo ảnh hưởng của mực nước hạ lưu đối với đập tràn + Đập chảy ngập. Khả năng xả phụ thuộc vào MNHL + Đập chảy không ngập. Chảy tự do, khả năng xả không phụ thuộc vào MNHL [10] 1.1.3. Tình hình xây dựng đập dâng hiện nay ở Việt Nam a. Tình hình chung Trước đây hầu hết các đập dâng ở Việt Nam đều được xây dựng theo quy phạm cũ, phần đập tràn được thiết kế theo dạng Ophixerop; vật liệu xây dựng là bê tông truyền thống, đá xây vữa hay rọ thép xếp đá hộc. Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế làm tăng nhu cầu về sử dụng điện, nước…; kèm theo đó là sự biến đổi mạnh mẽ của khí hậu toàn cầu đã tạo nên sức ép phải có những tiến bộ về khoa học và công nghệ trong xây dựng công trình thủy lợi.Từ năm 1999 cùng với sự trao đổi khoa học kỹ thuật và các chuyên gia tư vấn nước ngoài đến nước ta đã xây dựng đươc nhiều đập tràn có mặt cắt dạng WES như đập tràn Thủy điện Sơn La, đập tràn Hồ chứa nước Định Bình, đập tràn Thủy điện Se San 3 …; đập tràn ZícZắc bước Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 5 đầu đang được nghiên cứu và áp dụng như: Tràn xả lũ hồ Tuyền Lâm, tràn xả lũ Phước Hòa, tràn xả lũ sông Móng … b. Hiệu quả sử dụng Hiện nay do nhiều yếu tố khách quan như biến đổi khí hậu làm cho tỷ số lưu lượng Qmax/Qmin ngày càng tăng, hay việc nhu cầu sử dụng nước tăng đột biến làm cho việc cùng lúc đập phải tháo được lượng lũ lớn nhất và việc cung cấp nước cho các nhu cầu sử dụng là tối ưu trở nên cấp thiết. Hiệu quả sử dụng phụ thuộc rất nhiều vào công tác quản lý, tuy nhiên chỉ có ở một số công trình lớn có mục đích sử dụng tổng hợp thì công tác này mới được quan tâm đúng mức.Còn đối với các công trình nhỏ, ở các vùng sâu vùng xa thì công tác này rất hạn chế nên việc nâng cao hiệu quả sử dụng là rất khó khăn. Đập dâng ở Việt Nam đã xuất hiện từ lâu nên việc xuống cấp hay bị lạc hậu về công nghệ của một số đập nên không đáp ứng được nhu cầu dùng nước hiện tại [7]. c. An toàn đập và tính toán an toàn đập Phương pháp thiết kế hiện nay được gọi là phương pháp tất định, các tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên trạng thái giới hạn của các cơ chế phá hỏng trong đó có kể đến số dư an toàn thông qua các hệ số an toàn. Theo phương pháp này công trình được coi là an toàn khi khoảng cách giữa tải trọng và sức chịu tải đủ lớn để đảm bảo thỏa mãn từng trạng thái giới hạn của cơ chế phá hỏng của tất cả các thành phần công trình. Tuy nhiên phương pháp này có một số hạn chế như sau: + Trên thực tế chưa xác định được xác suất phá hỏng của từng thành phần cũng như của toàn công trình; + Chưa xét đến tính tổng thể của một hệ thống hoàn chỉnh; + Chưa kể đến ảnh hưởng của quy mô hệ thống, chỉ tính toán cho một mặt cắt đập rồi áp dụng cho toàn bộ chiều dài đập; + Không so sánh được độ bền tại các mặt cắt khác nhau; Không đưa ra được xác suất thiệt hại và mức độ gây thiệt hại khi có sự cố. Đối với một số đập dâng nhỏ ở miền núi, khi thiết kế để tràn có thể tháođược toàn bộ lưu lượng ứng với tần suất thiết kế thì quy mô, kinh phí xây dựng đập là quá lớn so với mục tiêu phục vụ. Trong trường hợp này có thể tính toán để tràn chính chỉ tháo một phần lưu lượng lũ, phần còn lại để tràn qua hai bên vai đập từ đó giảm được kinh phí đầu tư xây dựng. Tuy nhiên hiện tại vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể nào về vấn đề này. Sự hình thành hố xói có thể làm ảnh hưởng đến ổn định trượt và lật của đập. Tuy nhiên hiện nay mới chỉ có những nghiên cứu ban đầu mà chưa có tiêu chuẩn và hướng dẫn cụ thể trong tính toán và thiết kế đập [4]. Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 6 1.2. Tiêu năng sau đập dâng 1.2.1. Khái quát chung về tiêu năng Là tìm các biện pháp làm tiêu hao toàn bộ hay một phần năng lượng thừa của dòng chảy từ thượng lưu về hạ lưu khi đi qua các công trình trên sông, trên kênh, điều chỉnh lại sự phân bố lưu tốc và làm giảm mạch động để cho dòng chảy trở về trạng thái tự nhiên trên một đoạn ngắn nhất, rút ngắn đoạn gia cố ở hạ lưu. Các hình thức tiêu năng thường được áp dụng là: Tiêu năng đáy với các hình thức như đào bể, xây tường hoặc bể tường kết hợp; tiêu năng mặt; tiêu năng phóng xa và một số hình thức tiêu năng đặc biệt Về lưu lượng tính tiêu năng thì một số nước trên thế giới lấy lưu lượng ứng với tần suất thiết kế đập dâng, một số nước lấy với một tần suất cụ thể. Ở Việt Nam thì chưa có quy định nào về lưu lượng tính tiêu năng. Về lý thuyết thì lưu lượng tính tiêu năng chính là lưu lượng tạo ra năng lượng thừa lớn nhất. Tuy nhiên cơ chế tiêu hao năng lượng dư ở hạ lưu là rất phức tạp nên tính toán theo tiêu chuẩn này thì cũng không thể tiêu hao hết năng lượng dư trong mọi trường hợp. 1.2.2. Các hình thức tiêu năng + Tiêu năng dòng đáy: Là tìm biện pháp công trình sao cho toàn bộ năng lượng thừa bị tiêu hao trong nước nhảy ngập với hệ số ngập 1,05-1,1. Nhóm giải pháp này gồm: Đào bể, xây tường, bể tường kết hợp, kết hợp với một số các thiết bị tiêu năng phụ như mố nhám, dầm tiêu năng, tường hướng dòng, thay đổi độ dốc của bể tiêu năng. Biện pháp tiêu năng đáy phù hợp với các công trình tháo có cột nước thấp và địa chất nền yếu, mực nước hạ lưu thay đổi. +Tiêu năng dòng mặt: ….Áp dụng khi nền công trình cấu tạo địa chất yếu, mềm; Bậc thụt ở hạ lưu có đỉnh thấp hơn mực nước hạ lưu; Lưu lượng qua công trình vừa và lớn, nhưng chênh lệch mực nước thượng hạ lưu không lớn lắm; Bờ hạ lưu công trình cần phải ổn định. + Tiêu năng dòng phễu: Khi bán kính cong của bậc lớn thì dòng mặt chuyển thành dòng phễu.Hình dạng và kết cấu phễu tiêu năng có các dạng: phễu có đoạn nằm ngang, phễu có đoạn cong, phễu có đoạn cong và dốc ngược,….. 1.2.3. Đoạn sau sân tiêu năng Trong đoạn dòng chảy sau nước nhảy, tính chất chuyển động của nó khác rất nhiều so với dòng chảy tự nhiên ở hạ lưu. Do vậy nó có tiềm năng gây xói và hình thành các sóng ở hạ lưu, hơn nữa mặt cắt ngang ở hạ lưu lại thay đổi vì vậy dòng chảy ở đây thường không ổn định. Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 7 Nước nhảy tiêu hao một năng lượng rất lớn nhưng sau nước nhảy vẫn còn năng lượng dư. Năng lượng dư này nhỏ so với năng lượng đã tiêu hao nhưng lại lớn so với động năng của dòng chảy ở hạ lưu.Đoạn sau nước nhảy để tiêu hao hết năng lượng dư này là rất dài [8]. 1.2.4. Với các đập không có thiết bị tiêu năng Tính toán kiểm tra lưu tốc tại vị trí nước nhảy, chỉ khi lưu tốc này nhỏ hơn lưu tốc không xói cho phép của nền mới không thiết kế thiết bị tiêu năng. Tính toán tạo bể tiêu năng như đối với tiêu năng đáy. Trong đó chiều dài nước rơi được tính toán tùy theo các hình thức của đập, phải tính toán sao cho không có nước nhảy phóng xa sau bể, móng đập phải đặt sâu hơn chiều sâu hố xói 1.3. Xói sau đập dâng 1.3.1. Khái niệm Trong tự nhiên, tất cả các dòng chảy đều có xu hướng cân bằng. Khi có điều kiện biên thay đổi như việc xây dựng công trình trên sông, kênh… mực nước thượng lưu tăng kết hợp với năng lượng vốn có của dòng chảy, dòng chảy tập trung lại, tốc độ dòng chảy tăng lên, tạo nên động năng thừa gây xói lở làm thay đổi kích thước hình học và hình dạng của lòng dẫn ở hạ lưu. Xói xuất hiện ngay ở chân công trình, nơi có lưu tốc rất lớn và phân bố không đều, nơi có mạch động lưu tốc và áp lực rất lớn. Hình 1-3. Phân bố lưu tốc ở chân công trình và sự hình thành xói [11] 1.3.2. Nguyên nhân xói sau đập dâng Đối với tiêu năng đáy không có thiết bị tiêu năng, hay có thiết bị tiêu năng nhưng lại không tiêu hao hết năng lượng thừa của dòng chảy từ thượng lưu về; Với tiêu năng mặt thì mực nước hạ lưu không đúng với tính toán ban đầu. Việc co hẹp lòng dẫn làm tăng lên một cách đáng kể lưu lượng đơn vị và lưutốc dòng chảy sau công trình. Do vậy hạ lưu công trình xuất hiện dòng chảy với mạch động lớn của lưu tốc và áp lực. Chính mạch động này làm tăng khả năng xói của dòng chảy lên nhiều lần; Do hình thức, kích thước và vật liệu không hợp lý ở nhiều bộ phận kết cấu công Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 8 trình tạo nên những hiện tượng thủy lực có lợi cho sự xuất hiện xói; Trong quá trình tính toán thiết kế do chọn lưu lượng tiêu năng không phù hợp dẫn đến thiết bị tiêu năng không đúng hoặc chảy ngập với hệ số ngập quá lớn; Sử dụng công trình không theo quy trình, cá biệt là không có quy trình. Không kịp thời bảo dưỡng, tu sửa công trình. ( ( a) b) Hình 1-4. Xói hạ lưu đập không có thiết bị tiêu năng: a) hố xói chưa ảnh hưởng đến sự an toàn của đập; b) hố xói phát tiển mạnh khoét sâu vào chân đập [11] Hình 1-5. Xói hình thành đối với đập tính toán tiêu năng, tính toán xói phù hợp, hố xói chưa ảnh hưởng đến sự an toàn của đập [11] Hình 1-6. Xói hình thành đối với đập tính toán tiêu năng, tính toán xói không phù hợp, hố xói ảnh hưởng đến bể tiêu năng [11] 1.4. Các biện pháp phòng chống và khắc phục xói sau đập dâng 1.4.1. Đánh giá khả năng xuất hiện xói theo các yếu tố khác nhau a. Khả năng xuất hiện xói từ các yếu tố địa hình Nhìn chung ở Việt Nam với đặc điểm địa hình có độ dốc lớn, có tới 87% địa hình dốc trên 250. Hơn nữa có đến 55% đập dâng được xây dựng trên địa hình có độ dốc lớn hơn 25% và có tới 50% đập được xây dựng trên lòng suối có độ dốc trên 100‰ bị xói lở hạ lưu. Sông suối ở đây có mức độ uốn khúc lớn có nhiều đoạn sông cong nên rất khókhăn cho việc chọn tuyến đập. Từ những kết quả tính toán và khảo sát thực tế cho thấy đây là nguyên nhân chủ yếu gây ra xói lở hạ lưu đập dâng. Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 9 b. Khả năng xuất hiện xói từ các yếu tố thủy văn Với độ chia cắt mạnh của địa hình nên có nhiều tiểu vùng khí hậu và thiếu rất nhiều số liệu thực đo nên việc tính toán chính xác các yếu tố thuỷ văn là rất khó. Hiện nay do biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với thảm phủ thực vật bị suy giảm làm cho tỷ số Qmax/Qmin rất lớn. Xuất hiện thường xuyên lũ ống lũ quét làm cho đập dâng tràn bị cuốn trôi và hư hỏng do lũ ống lũ quét. Một đặc trưng cơ bản của lũ ống lũ quét là lũ duy trì trong thời gian ngắn, lưu lượng đỉnh lũ tăng, tổng lượng lũ không thay đổi [1]. Như vậy với một đập tràn khi gặp lũ ống lũ quét thì lưu lượng tháo lớn hơn, tăng nhanh hơn. c. Khả năng xuất hiện xói từ các yếu tố thủy lực Các yếu tố thủy lực như lưu lượng đơn vị, lưu tốc dòng chảy, cột nước tràn, mực nước hạ lưu, chênh lệch mực nước hạ lưu đều làm cho chiều dài nước nhảy và chiều dài đoạn sau nước nhảy tăng lên. Các yếu tố thủy lực trên kết hợp với các điều kiện địa hình, các yếu tố thủy văn làm gia tăng khả năng xói cho đập. d. Khả năng xuất hiện xói từ yếu tố địa chất nền Lớp địa chất chủ yếu phức hệ đất bụi sét nguồn gốc sông - lũ apQ: phức hệ này có diện phân bố hẹp nhưng lại phân bố tập trung ở lòng sông suối, chiều dày vào khoảng 2-5m; thành phần chủ yếu là cát pha, sét pha lẫn dăm cuội sạn đa khoáng, sắp xếp không chặt. Một số chỉ tiêu cơ lý: dung trọng tự nhiên 1,80 g/cm3; góc ma sát trong φ = 180; lực dính kết C = 0.2 kg/cm2 . Với điều kiện địa chất như vậy rất thuận lợi cho xói phát triển [9]. e. Khả năng xuất hiện xói từ biện pháp công trình Đối với các công trình thuỷ lợi hầu hết là các công trình nhỏ, mang lại hiệu ích an sinh xã hội là chính còn hiệu ích về kinh tế chỉ là thứ yếu. Chính vì vậy nó có nguồn vốn đầu tư nhỏ, ít được nghiên cứu kỹ lưỡng, hơn nữa vì là công trình nhỏ nên trong quá trình thiết kế, thi công thì có sự chủ quan nhất định. - Xói do khả năng tháo: Địa hình lòng suối hẹp nên chiều rộng đập nhỏ dẫn đến khả năng tháo nhỏ, lưu lượng đơn vị lớn, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu cao. Từ kết quả tính với các cấp lưu lượng tăng dần và trong thực tế cho thấy đây là nguyên nhân lớn gây nên xói hạ lưu đập. - Xói do hình thức tháo: Với lưu lượng thiết kế lớn, nhưng nguồn vốn đầu tư nhỏ nên phải thiết kế công trình với hình thức tháo lũ qua tràn và cả hai bên vai đập. Biện pháp công trình này đã phát huy được hiệu quả nhất định, tuy nhiên trên thực tế loại hình công trình này gặp khá nhiều vấn đề, đặc biệt là đối với sự cố xói ở hạ lưu đập, có đến 100% đập bị ảnh hưởng bởi xói (trong đó 84% đập bị ảnh hưởng nghiêm Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 10 trọng đến an toàn đập). Không chỉ bị xói ở sau sân gia cố cứng, đập còn bị xói mạnh ở hai bên tường cánh hạ lưu gây xói sâu vào hai bên bờ hạ lưu đập [8]. f. Xói do biện pháp tiêu năng + Với hình thức tiêu năng tự nhiên thì xói hạ lưu đập là không thể tránh khỏi. + Với hình thức tiêu năng đáy: Đây là biện pháp tiêu năng hiệu quả, tuy nhiên bị ảnh hưởng nhiều bởi mực nước hạ lưu. Với địa hình lòng suối phức tạp luôn biến đổi thì việc xác định chính xác mực nước hạ lưu là khó khăn và đặc biệt mực nước hạ lưu cũng không ổn định. + Xói do không gia cố sân sau: do nguồn vốn hạn hẹp cùng với chủ quan trong thiết kế nên sân sau thường gia cố tạm bợ, thậm chí không gia cố. 1.4.2. Các giải pháp phòng chống xói Hình thức đập cho đến hiện tại rất đơn điệu, đa số đập đều là đập tràn thực dụng mặt cắt hình thang hoặc Ôphixerop, có tuyến thẳng (chính diện) nên khả năng tháo lũ là thấp. Hiện nay trên thế giới cũng như trong nước đã có nhiều biện pháp công trình làm tăng khả năng tháo được nghiên cứu và áp dụng thành công. Chính vì vậy nên tìm kiếm, áp dụng biện pháp công trình mới để giảm chênh lệch mực nước thượng hạ lưu tràn để giảm nguy cơ xói hạ lưu đập. + Dùng một số hình thức tràn làm giảm cột nước tràn (Ngưỡng tràn ZícZắc hay ngưỡng tràn “phím Piano với hình thức đập cong, xiên. Các kết quả tính toán cho thấy với các biện pháp sử dụng hình thức này, chênh lệch mực nước thượng hạ lưu giảm và chiều sâu hố xói giảm, nhưng không nhiều. Tuy nhiên khi tăng chiều dài đập thì khối lượng cũng tăng và do vậy giá thành tăng [2]. +Xây dựng đập sau sân tiêu năng để tăng mực nước hạ lưu, (xem hình 1-7) Hình 1-7. Gia cố sau sân tiêu năng [10]. + Gia cố cứng hóa sân sau tăng khả năng phòng xói của nền Hầu hết các đập dâng tràn trên địa bàn tỉnh Bình Định nằm trên phức hệ đất bụi sét sông, đây là phức hệ rất thuận lợi cho xói phát triển.Nhằm làm tăng khả năng Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ Luận văn thạc sĩ Trang 11 phòng xói của vật liệu nền, có thể đưa ra giải pháp là cứng hóa toàn bộ sân sau tiêu năng, hay tăng cường khả năng chống xói của vật liệu nền bằng các vật liệu có kích thước, trọng lượng lớn hơn vật liệu nền ban đầu như rải thảm đá hộc, hay cuội sỏi có kích thước lớn. Đối với các công trình nhằm hướng tới giải quyết triệt để, không cho xói suất hiện thì gia cố cứng toàn bộ phần sân sau hình 1.7. Với chiều dài gia cố bằng chiều dài lớn nhất của hố xói theo tính toán, chiều sâu chân khay được cắm sau hơn chiều sâu hố xói lớn nhất. Với các hình thức kết cấu như bê tông cốt thép, đá xây vữa, rọ thép xếp đá hộc. Đối với các công trình không nhất thiết phải giải quyết triệt để vấn đề xói, có thể để xói suất hiện ở mức độ cho phép không làm ảnh hưởng để công trình và nhiệm vụ của công trình.Thì chỉ gia cố sân sau ở mức độ cho phép, để hố xói nhỏ và chiều dài hố xói ngắn. Hình 1-8. Hình thức gia cố cứng sân sau Lmax L max Hình 1-9. Hình thức gia cố vật liệu nền Trong trường hợp không nhất thiết phải cứng hóa toàn bộ hay một phần sân sau tiêu năng thì có thể rải đá hộc có đường kính lớn. Ưu nhược điểm của giải pháp Ưu điểm: Đây là giải pháp đơn giản trong tính toán thiết kế và triển khai trong thực tế. Có khả năng áp dụng khá mềm dẻo, từ phòng xói triệt để đến điều khiển xói hoàn toàn chủ động. Đối với giải pháp tăng cường khả năng chống xói của vật liệu nền bằng các vật liệu có kích thước, trọng lượng lớn hơn vật liệu nền ban đầu như rải thảm đá hộc, hay cuội sỏi có kích thước lớn có giả thành giảm, dễ dàng trong thi công. Học viên: Nguyễn Thanh Lâm – Lớp CH33.X2BĐ