Tài liệu Nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước và áp dụng cho hồ chứa nước vực mấu, tỉnh nghệ an

LỜI CAM ĐOAN Tôi là : BÙI VĂN HIỆU Học viên lớp : 21C21 Mã số học viên : 138580202053 Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài: “ Nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước và áp dụng cho hồ chứa nước Vực Mấu, tỉnh nghệ an” là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, tháng 02 năm 2017 Tác giả luận văn Bùi Văn Hiệu i LỜI CẢM ƠN Với sự giúp đỡ của GS.TS Phạm Ngọc Quý, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Công trình trường Đại học thuỷ lợi, bạn bè, đồng nghiệp, đến nay Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Nghiên cứu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm trong đầu mối hồ chứa nước và áp dụng cho hồ chứa nước Vực Mấu, tỉnh nghệ an” đã được hoàn thành. Tác giả xin cảm ơn chân thành đến, Công ty TNHH MTV thủy lợi bắc Nghệ An, đơn vị trực tiếp quản lý đầu tư xây dựng và khai thác công trình hồ chưa nước Vực Mấu đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn này, cùng các cơ quan đơn vị và các cá nhân đã truyền đạt kiến thức, cho phép sử dụng tài liệu đã công bố cũng như sự giúp đỡ cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu vừa qua. Đặc biệt tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Ngọc Quý, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn này. Với thời gian và trình độ còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, của các Quý vị quan tâm và bạn bè đồng nghiệp. Hà Nội, tháng 02 năm 2017 ii MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................1 I. Tính cấp thiết của đề tài. ..............................................................................................1 II. Mục đích của đề tài. ....................................................................................................2 III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu................................................................2 IV. Kết quả đạt được. ......................................................................................................2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA TẠI VIỆT NAM .........................................................................................................................................4 1.1. Thực trạng an toàn hồ chứa nước tại Việt Nam. ......................................................4 1.2. Lũ vượt thiết kế, nguyên nhân và giải pháp đảm bảo an toàn. ...............................11 1.3. Khái quát về tràn sự cố ...........................................................................................16 1.4. Hình thức kết cầu các loại tràn sự cố......................................................................20 1.5. Vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu ........................................................................25 1.6. Kết luận chương 1 ..................................................................................................26 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TRÀN SỰ CỐ KIỂU GIA TẢI BẰNG NƯỚC GÂY VỠ ĐẬP ĐẤT TẠM .....................................................................................................27 2.1. Giới thiệu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm. ..........................27 2.2. Sơ đồ bố trí tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm. .......................27 2.3 Nguyên lý làm việc ..................................................................................................28 2.4. Xây dựng mặt cắt tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm. .............30 2.5. Tính toán thủy lực tràn ...........................................................................................46 2.6. Tính toán điều tiết lũ tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm .........50 2.7. Quy trình vận hành, bảo dưỡng tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm .................................................................................................................................55 2.8. Quy trình thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm ...............55 2.9. Kết luận chương 2 ..................................................................................................60 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TRÀN SỰ CỐ KIỂU GIA TẢI BẰNG NƯỚC GÂY VỠ ĐẬP ĐẤT TẠM TRONG CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC VỰC MẤU................61 3.1. Giới thiệu về công trình hồ chứa nước Vực Mấu ...................................................61 3.2. Đặc điểm tự nhiên vùng hồ Vực Mấu ....................................................................62 3.3. Tính toán điều tiết lũ và đánh giá hiện trạng hồ chứa nước Vực Mấu ...................64 iii 3.4. Xác định hướng nghiên cứu cho hồ chứa nước Vực Mấu. .................................... 68 3.5. Thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho công trình hồ chứa nước Vực Mấu. ..................................................................................................... 68 3.6. Tính toán thủy lực tràn sự cố.................................................................................. 73 3.7. Kết luận chương 3. ................................................................................................. 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 80 I. Các kết quả đạt được của luận văn ............................................................................ 80 II. Một số điểm tồn tại ................................................................................................... 81 III. Kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu ...................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 82 PHỤ LỤC 1: BẢNG THỐNG SỐ KỸ THUẬT HỒ CHỨA VỰC MẤU ................... 83 PHỤ LỤC 2: TÌM HỆ SỐ MÁI HẠ LƯU (m h ) ĐẬP ĐẤT TẠM ............................... 86 PHỤ LỤC 3: TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC BỂ GIA TẢI ........................................... 88 PHỤ LỤC 4: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG TỰ VỠ CỦA ĐẬP ĐẤT ............................ 89 PHỤ LỤC 5: TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ ................................................................ 90 I. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT TRÀN HIỆN TRẠNG .................................. 90 II. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT LŨ KHI CÓ TRÀN SỰ CỐ ...................... 115 PHỤ LỤC 6: TÍNH TOÁN XI PHÔNG DẪN NƯỚC GIA TẢI ............................... 120 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sạt trượt sâu mái đập ........................................................................................5 Hình 1.2 Vỡ đập dạng vết vỡ hình thang.........................................................................6 Hình 1.3 Vỡ đập đất hồ Đồng Đáng tỉnh Thanh Hóa ......................................................7 Hình 1.4 Vỡ đập phụ 2 hồ Đầm Hà Động tỉnh Quảng Ninh ...........................................7 Hình 1.5 Sự cố tràn xả lũ .................................................................................................8 Hình 1.6 Sự cố trầm tích bùn cát đến mở cửa van sập tự động .......................................8 khống chế bằng thủy lực..................................................................................................8 Hình 1.7 Lũ tràn qua đỉnh đập Hố Hô .............................................................................9 Hình 1.8 Tường cánh tràn xả lũ đập Yang Kang Thượng (ở xã Yang Kang, huyện Krông Bông, Đắk Lắk) bị vỡ ...........................................................................................9 Hình 1.9 Sự cố thấm, hang ngầm mang cống..................................................................9 Hình 1.10 đất đá vùi lấp khiến cống bị tắc, không thể điều tiết nước ...........................10 Hình 1.11 Trụ giữa của cầu ra cống lấy nước có hiện tượng sụt lún ............................10 Hình 1.12 hồ chứa nước Hố Hô xả lũ ............................................................................11 Hình 1.13 Ngập lụt ở hạ lưu hồ Hố Hô .........................................................................11 Hình 1.14 Nâng cao chiều cao đập đất hồ chứa nước Bà Tùy, tỉnh Nghệ An. .............14 Hình 1.15 Nâng cao chiều cao đập đất hồ chứa nước Đại Sơn, tỉnh Bình Định. ..........15 Hình 1.16 Mở rộng cửa tràn xả lũ hồ chứa nước Khe Xiêm, tỉnh Nghệ An .................15 Hình 1.17 Mở rộng, hạ cao độ ngưỡng tràn xả lũ hồ chứa nước Bà Tùy, tỉnh Nghệ An .......................................................................................................................................15 Hình 1.20 Tràn sự cố ngưỡng thực dụng, cửa van cung ...............................................20 Hình 1.21 Tràn sự cố kiểu cửa van tự động ..................................................................20 Hình 1.22 Mặt cắt tràn được gia cố bằng đá xây (hồ Thanh Lanh – Vĩnh Phúc) .........21 Hình 1.23 Ngưỡng tràn dích dắc ...................................................................................22 Hình 1.24 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ (cao hơn 5m) ...............23 Hình 1.25 Tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ (thấp hơn 5m) .............23 Hình 1.26 Tràn sự cố kiểu vỡ đập đất bằng năng lượng thuốc nổ ................................24 Hình 1.27 Tràn sự cố kiểu dẫn xói gây vỡ đập đất........................................................24 Hình 1.28 Tràn sự cố kiểu cầu chì .................................................................................25 Hình 2.1 Cấu tạo tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất ..............................27 v Hình 2.2 Mặt bằng tràn sự cố vị trí trên đập phụ ......................................................... 28 Hình 2.3 Mặt bằng tràn sự cố vị trí sườn đồi ................................................................ 28 Hình 2.4 mặt bằng bố trí tràn sự cố vị trí vai đập chính và tràn xả lũ chính ................. 28 Hình 2.5 Mực nước trong hồ chứa tăng, nước bắt đầu vào bể gia tải ........................... 29 Hình 2.6 Giả thiết cung trượt xuất hiện trong đập đất .................................................. 29 Hình 2.7 Đập đất tạm vỡ mái hạ lưu ............................................................................. 29 Hình 2.8 Nước lũ xả qua ngưỡng tràn sự cố ................................................................. 30 Hình 2.9 Cắt dọc ngưỡng tràn đỉnh rộng gia cố đầu ngưỡng ........................................ 31 Hình 2.10 Cắt dọc ngưỡng tràn đỉnh rộng gia cố toàn ngưỡng..................................... 31 Hình 2.11 Tương quan giữa chiều dài ngưỡng tràn và đáy đập đất tạm ....................... 33 Hình 2.12 Cắt ngang đập đất tạm .................................................................................. 33 Hình 2.13 Xác định kích thước lớp cát kẹp................................................................... 35 Hình 2.14 Sơ đồ tính toán xác đinh hệ số mái hạ lưu m h ............................................. 35 Hình 2.15 Sơ đồ hóa các bước tính toán xác định m h ................................................... 36 Hình 2.16 Đập đất tạm trong trạng thái giới hạn .......................................................... 37 Hình 2.17 Đập đất tạm vượt trạng thái giới hạn............................................................ 37 Hình 2.18 Sơ đồ hóa các bước tính toán xác định P v .................................................... 37 Hình 2.19 Bể gia tải và ống thoát nước mưa................................................................. 38 Hình 2.20 Xi phông dẫn nước gia tải ............................................................................ 40 Hình 2.21 Rãnh thoát nước mưa mái hạ lưu ................................................................. 43 Hình 2.22 chi tiết cấu tạo bể gia tải tường xây đá hộc .................................................. 43 Hình 2.23 Xi phông dẫn nước gia tải bê tông cốt thép (dạng cống) ............................. 44 Hình 2.24 Cắt ngang xi phông dẫn nước gia tải bê tông cốt thép ................................ 44 Hình 2.25 Xi phông dẫn nước gia tải bằng ống thép .................................................... 44 Hình 2.26 Cắt ngang xi phông dẫn nước gia tải bằng ống thép .................................... 44 Hình 2.27 Cắt ngang chi tiết đập đất tạm ...................................................................... 45 Hình 2.28 Cắt dọc chi tiết đập đất tạm .......................................................................... 45 Hình 2.29 Chính diện hạ lưu đập đất tạm ..................................................................... 45 Hình 2.30 Chi tiết ngưỡng tràn sự cố đá lát khan ......................................................... 46 Hình 2.31 Chi tiết ngưỡng tràn sự cố gia cố đầu ngưỡng tràn bằng bê tông ................ 46 Hình 2.32 Đập tràn đỉnh rộng........................................................................................ 47 vi Hình 2.33 Sơ đồ chảy của đập tràn đỉnh rộng không ngập ...........................................47 Hình 2.34 Sơ đồ chảy ngập của đập tràn đỉnh rộng ......................................................49 Hình 2.35 Đường quá trình lũ kết hợp tràn chính và tràn sự cố ....................................52 Hình 2.36 Sơ đồ tính toán điều tiết lũ bằng phương pháp lặp trực tiếp ........................54 Hình 2.37 Quy trình thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho các công trình mới .........................................................................................................58 Hình 2.38 Quy trình thiết kế tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho các công trình sửa chữa nâng cấp ..................................................................................59 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí đầu mối công trình hồ chứa nước Vực mấu ...............................61 Hình 3.2 Cắt dọc tràn xả lũ hồ chứa Vực Mấu hiện trạng............................................65 Hình 3.3 Mặt bằng tràn xả lũ hồ chứa Vực Mấu trước sửa chữa với 3 cửa tràn ...........65 Hình 3.4 Mặt bằng tràn xả lũ hồ chứa Vực Mấu sau sửa chữa với 5 cửa tràn ..............66 Hình 3.5 Hạ lưu tràn xả lũ .............................................................................................67 Hình 3.6 Tháp van cống dưới đập .................................................................................67 Hình 3.7 Mái thượng lưu đập chính ..............................................................................67 Hình 3.8 Hạ lưu cống dưới đập .....................................................................................67 Hình 3.9 Vị trí tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm hồ chứa nướcVực Mấu ................................................................................................................................69 Hình 3.10 Mặt bằng tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm ..................71 Hình 3.11 Cắt ngang tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm .................72 Hình 3.12: Cắt dọc tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm....................72 Hình 3.13 Chính diện hạ lưu tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm ....72 Hình 3.14 Chi tiết xi phông dẫn nước gia tải ................................................................73 Hình 3.15 Chi tiết rãnh dẫn nước mưa ..........................................................................73 Hình PL2.1 Kết quả tính toán ổn định khi m h = 1.50 ...................................................86 Hình PL2.2 Kết quả tính toán ổn định khi m h = 1.25 ...................................................87 Hình PL2.3 Kết quả tính toán ổn định khi m h = 1.0 .....................................................87 Hình PL2.4 Kết quả tính toán ổn định khi m h = 0.75 ...................................................87 Hình PL3.1 Kết quả tính toán ổn định tìm kích thước bể gia tải ..................................88 Hình PL4.1 trường hợp 1, mực nước trong hồ +21.00 ..................................................89 Hình PL4.2 trường hợp 4, mực nước trong hồ +24.90 vượt MNLKC ..........................89 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU...............................................................................viii Bảng 1.1 Số lượng hồ chứa theo quy mô dung tích ........................................................ 4 Bảng 1.3 Mực nước vượt thiết kế của một số hồ chứa nước ........................................ 12 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn tính lũ theo các tiêu chuẩn, quy phạm qua các thời kỳ ............... 12 Bảng 1.4 Tần suất lũ tính toán tràn sự cố của một số hồ đã xây dựng.......................... 17 Bảng 1.5 Tần suất tính toán thiết kế tràn sự cố ở đầu mối hồ chứa nước [1] ............... 17 Bảng 2.1 Hệ số lưu tốc ϕ n của đập tràn đỉnh rộng chảy ngập theo trị số trung bình của Đ.I. Kumin (Viện khoa học nghiên cứu thủy lợi toàn Liên Xô) [6] ............................. 49 Bảng 3.1 Đặc trưng địa hình lòng hồ ............................................................................ 62 Bảng 3.2 Mưa tiêu thiết kế [7] ...................................................................................... 64 Bảng 3.3 Dòng chảy lũ (thời kỳ chính vụ) [7] .............................................................. 64 Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra điều tiết lũ........................................................................... 66 Bảng 3.5 kết quả tính toán ổn định đập đất tạm ............................................................ 74 Bảng 3.6 Bảng tổng hợp kết quả tính toán khả năng tháo của tràn khi tràn sự cố và tràn chính làm việc đồng thời ............................................................................................... 79 Bảng PL2.1 Kết quả tính toán hệ số mái hạ lưu m h ...................................................... 86 viii PHẦN MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài. Công trình hồ chứa nước là một loại công trình thủy lợi đặc biệt có nhiệm vụ biến đổi và điều tiết nguồn nước phù hợp với yêu cầu dùng nước khác nhau của các ngành kinh tế, xã hội an ninh quốc phòng và phòng chống giảm nhẹ thiên tai. Trong lịch sử nhiều nước trên thế giới, bão lụt, động đất đã gây thiệt hại lớn về người và của, uy hiếp nghiêm trọng đến an toàn các công trình thủy lợi. Ở Trung Quốc, trước năm 1980 chưa có tràn sự cố, tháng 8 năm 1975 xuất hiện lũ lớn vượt thiết kế làm hư hại nhiều đập hồ. Từ đó người ta đã đưa ra khái niệm mực nước lũ bảo vệ đập và cần có tràn sự cố. Từ năm 1980 đã thực hiện thiết kế, xây dựng bổ sung tràn sự cố cho các hồ chứa đã có hoặc đang trong xây dựng mới. Cùng với việc nghiên cứu về tràn chính, người ta còn nghiên cứu kết hợp tràn sự cố tháo kết hợp với tràn chính để giảm giá thành công trình tràn xả lũ. Ở tỉnh Liêu Ninh (Trung Quốc) làm tràn sự cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ, kết hợp tràn chính xả lũ đã giảm 40% ÷ 60% giá thành công trình xả lũ. Ở Australia so sánh 5 đập có dùng tràn sự cố (kết hợp với tràn chính) cho thấy vốn đầu tư giảm 20% ÷ 30% so với chỉ dùng tràn chính. Ở Mỹ, Mexico, Pháp, Australia, Bồ Đào Nha, Algeria người ta đã có những nghiên cứu lý thuyết và mô hình thủy lực về hình thức kết cấu, khả năng tháo của tràn dích dắc (tràn Labyrinth) và đã xây dựng loại tràn phím đàn piano, loại mỏ vịt, loại ngưỡng xiên… để tăng chiều dài ngưỡng lên nhiều lần (mặc dù chiều rộng đường tràn theo hướng thẳng không đổi, nghĩa là khoảng cách giữa 2 mố biên không thay đổi). Đặc biệt Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới ẩm, gió mùa, sự khắc nghiệt về thời tiết, tính ác liệt của mưa to, lũ lớn xảy ra thường xuyên trong năm, từ vùng này sang vùng khác. Những năm gần đây hiện tượng El-Nino và La-Nina xuất hiện, gây ra lũ quét, lũ lớn, lũ đặc biệt lớn vượt tiêu chuẩn thiết kế ngày càng nhiều. Vì vậy bên cạnh cần có cảnh báo, dự báo lũ, tính toán lũ vượt thiết kế, cũng cần có tràn sự cố. Vào đầu tháng 10 năm 2013, do lượng mưa cường độ lớn kéo dài trên địa bàn huyện 1 Quỳnh Lưu (Nghệ An), hồ Vực Mấu đặt trong tình trạng báo động nên địa phương đã cho xả lũ làm cho hàng ngàn hộ dân ở hạ nguồn chìm trong biển nước. Theo báo cáo của Đài Khí tượng thủy văn khu vực Bắc Trung bộ thì trong tháng 9 có 5 đợt mưa vừa, mưa to trên diện rộng vào các ngày 5-8; 11-13; 17-21; 24-27 và ngày 30, đặc biệt ngày 17-21 do ảnh hưởng của cơn bão số 8 kết hợp với gió đông trên cao nên xảy ra mưa lớn trên diện rộng. Vì vậy, khi mực nước trong hồ vượt mực nước lũ thiết kế do biến đổi khí hậu ngày một sâu sắc, giải pháp để đảm bảo an toàn đập khi tràn chính không đạt đủ lưu lượng xả khi mực nước trong hồ vượt mực nước lũ thiết kế cần phải được đưa ra giải đáp để đảm bảo an toàn cho hồ Vực Mấu. II. Mục đích của đề tài. Đánh giá tổng quan về nguyên nhân mất an toàn hồ chứa vừa và nhỏ tại Việt Nam và tầm quan trọng của tràn sự cố. Nghiên cứu đề xuất giải pháp tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm đảm bảo an toàn hồ chứa và áp dụng cho hồ chứa nước Vực Mấu. III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Cách tiếp cận: Từ những phân tích đặc điểm làm việc thực tế kết hợp với các nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn về nguyên tắc làm việc của tràn kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất. Phương pháp nghiên cứu: + Thu thập thống kê dựa trên các tài liệu nghiên cứu khoa học về an toàn hồ chứa đã được công nhận. + Phương pháp kế thừa : dựa trên các phương pháp tính toán thủy lực tràn, tính toán thủy văn điều tiết lũ khi tràn sự cố và tràn chính làm việc đồng thời. + Phương pháp tổng hợp: dựa trên kết quả tính toán xây dựng các quan hệ cột nước tràn và hình dạng kích thước mặt cắt tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất. IV. Kết quả đạt được. - Đánh giá tổng quan về an toàn đập khi có tràn sự cố; 2 - Nguyên lý làm việc, cách xác định kích thước của tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm; - Đề xuất được giải pháp tràn sự cố kiểu gia tải bằng nước gây vỡ đập đất tạm cho hồ chứa Vực Mấu. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐÁNH GIÁ VỀ AN TOÀN HỒ CHỨA TẠI VIỆT NAM 1.1. Thực trạng an toàn hồ chứa nước tại Việt Nam. 1.1.1. Thực trạng hồ chứa nước ở Việt Nam. Việt Nam nằm ở cực đông nam bán đảo Đông Dương với đường bờ biển thuộc đất liền dài 3.260 km, địa hình có nhiều đồi núi, núi ăn lấn ra biển. Hệ thống sông dày đặc, Việt Nam có tới 2.360 con sông, kênh lớn nhỏ với tổng chiều dài khoảng 41.900 km. Như vậy, có thể nói với hệ thống sông và địa hình tại Việt Nam thuận lợi cho việc xây dựng hồ chứa nước. Hồ chứa nước sớm được xây dựng ở Việt Nam vào những thập niên đầu thế kỷ 20, thời kỳ Pháp thuộc. Trước năm 1964 việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, có ít hồ được xây dựng trong giai đoạn này. Sau năm 1964, đặc biệt từ khi Việt Nam thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa nước phát triển mạnh. Đến tháng 12/2013 theo thống kê của Tổng cục Thủy lợi, cả nước có 6.886 hồ chứa các loại, trong đó có 6.648 hồ chứa thủy lợi (chiếm 96,5%) và 238 hồ chứa thủy điện (chiếm 3,5%) với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m3 nước. Bảng 1.1 Số lượng hồ chứa theo quy mô dung tích Quy mô (106m3) V≥ 10 V=3÷10 V=1÷3 V=0,2÷1 V≤0,2 Số lượng hồ 124 578 363 2.335 3.248 Miền Trung là vùng chịu ảnh hưởng mưa bão nhiều nhất và có nền kinh tế kém phát triển hơn các vùng khác nên được đầu tư xây dựng nhiều hồ chứa. Nghê An là tỉnh có nhiều hồ chứa nhất, 752 hồ đập, Thanh Hóa 524 hồ, Hà Tĩnh 335 hồ, Quảng Nam 73 hồ, Bình Định 160 hồ, Bình Thuận 64 hồ. Miền Nam là vùng có địa hình đồi núi thoải, ít phù hợp với điều kiện xây dựng hồ chứa chủ yếu tập trung ở vùng Đông nam bộ. Đông Nam bộ và TP. Hồ Chí Minh 86 hồ , Đồng bằng sông Cửu Long 12 hồ. Tây nguyên có 1.069 hồ chứa với 1389 triệu m3. Điển hình như Đăk Lăk có 539 hồ, Gia Lai có 98 hồ, Đăk Nông 148 hồ, Lâm Đồng 213 hồ. 4 Miền bắc bao gồm Đồng bằng sông Hồng 448 hồ, Trung du miền núi phía bắc 2.169 hồ. Điền hình như các tỉnh Sơn La 103 hồ, Điện Biên 11 hồ, Lào Cai 22 hồ, Lạng sơn 271 hồ, Bắc Kạn 32 hồ, Quảng Ninh 142 hồ, Bắc Giang 467 hồ, Vĩnh Phúc 270 hồ, Cao Bằng 25 hồ. Hồ thủy điện Sơn La là hồ thủy điện có dung tích (9,26x109m3) lớn nhất tại Việt Nam tính đến nay. Đập chính của hồ chứa là đập bê tông trọng lực cao 138,1m. Hồ được khởi công xây dựng từ năm 2005, hoàn thành năm 2012. Do tính chất phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất tại vị trí xây dựng nên sự phân bố về số lượng hồ chứa tại Việt Nam theo vùng miền cũng ảnh hưởng rõ rệt. Thực trạng, là điều kiện về địa hình địa chất ở vùng trung du miền núi, đồng bằng bắc bộ có địa hình đồi núi phù hợp với điều kiện xây dựng hồ chứa, chiếm tỷ lệ % lớn hơn so với đồng bằng nên số lượng hồ chứa được xây dựng tại vùng này lớn hơn so với các vùng khác. Đi dần về vùng nam bộ, hình đồi núi giảm dần nên số lượng hồ chứa cũng giảm dần theo. 1.1.2. Tình hình các sự cố hồ chứa ở Việt Nam. Biến đổi khí hậu đã và đang tác động trực tiếp đến an toàn hồ chứa. Trong những năm qua, các sự cố vỡ đập, vỡ tràn, hư hỏng các công trình trên hồ chứa do lũ vượt thiết kế đã xảy ra tương đối nhiều ở nước ta. 1.1.2.1. Sự cố đập đất. Các sự cố đập đất thường xảy ra như: Lũ tràn qua đỉnh đập, sạt mái thượng hạ lưu, thấm mạnh hoặc sủi nước nền đập, thân đập, vai đập, mang cống lấy nước, nứt ngang đập và nứt dọc nền đập. Hình 1.1 Sạt trượt sâu mái đập 5 Hình 1.2 Vỡ đập dạng vết vỡ hình thang Một số nguyên nhân gây ra sự cố nước tràn đập đất: - Do tính toán thuỷ văn sai: Mưa gây ra lũ tính nhỏ, lưu lượng đỉnh lũ nhỏ; Tổng lưu lượng lũ nhỏ hơn thực tế; Các dạng lũ thiết kế không phải là bất lợi; Lập đường cong dung tích hồ W= f(H) lệch về phía lớn, lập đường cong khả năng xả của đập tràn Q= f(H) sai lệch thực tế; - Cửa tràn bị kẹt; - Lũ vượt tần suất thiết kế, không có tràn xả lũ dự phòng; Sự cố đập đất đã xảy ra ở nước ta: Sự cố vỡ đập Đồng Đáng và Trung Cối vào ngày 01/10/2013 tại huyện Tĩnh Gia, Thanh Hóa: hồ Đồng Đáng (có tổng dung tích 300.000 m3) đã bị vỡ đập 50m, hồ Thung Cối (có dung tích 200.000 m3) bị vỡ đập 20m. Nguyên nhân việc vỡ đập của 2 hồ là do chất lượng của các hồ này đều xây dựng từ thập kỷ 70 – 80 với thiết kế dung tích không còn hợp với thực tế khi khí hậu đang biến đổi phức tạp. Tần suất mưa thiết kế của 2 hồ là 1,0% trong khi lũ thực tế là 0,5%, vượt quá tiêu chuẩn cho phép của hồ. 6 Hình 1.3 Vỡ đập đất hồ Đồng Đáng tỉnh Thanh Hóa Hình 1.4 Vỡ đập phụ 2 hồ Đầm Hà Động tỉnh Quảng Ninh Sự cố vỡ đập phụ hồ chứa nước Đầm Hà Động (Quảng Ninh). Nguyên nhân do mưa lớn xảy ra trong ngày 29/10/2014, một trong ba cửa van của tràn xã lũ bị kẹt đã làm mực nước lòng hồ Đầm Hà Động dâng cao rất nhanh. Đến 4 giờ ngày 30/10/2014, nước đã tràn đập. Đến 6 giờ 30 cùng ngày, nước đã vượt đỉnh kè chắn sóng 0,35 m và đập phụ số 2 của hồ đã bị vỡ gây lũ cục bộ, ngập lụt một số khu vực huyện Đầm Hà. 1.1.2.2. Sự cố ở tràn xả lũ Các sự cố tràn xả lũ thường xảy ra như: Lũ vượt qua đỉnh tràn, thấm qua nền thân tràn, tràn bị trôi hoặc gẫy, xói tiêu năng và hạ lưu tràn, gẫy cửa hoặc kẹt cửa, hư hỏng thiết bị đóng mở cửa van đập tràn. Một số nguyên nhân gây ra sự cố tràn xả lũ: - Cũng giống như sự cố đập đất, do tính toán thủy văn sai làm lưu lũ về lớn hơn lưu lượng lũ tính toán thiết kế; - Cửa van bị rỉ sét không được duy tu bảo dưỡng dẫn đến cửa van không vận hành được, bị kẹt; - Tràn được thiết kế theo tiêu chuẩn cũ không đủ khả năng để xả lũ hiện tại, lũ về vượt tần suất thiết kế; - Thiết kế chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính toán; - Vận hành đập tràn sai quy trình. 7 1 – Hố xói chân tường bờ bắc 2 – Đáy hố xói bờ bắc 3 – Hố xói ngưỡng và dốc nước 4 – Đáy hố xói ngưỡng và dốc nước 5 – Tường chắn bị đổ 6 – Rọ đá bị hư hỏng 7 – Tấm bê tông bị gãy và cuốn trôi Hình 1.5 Sự cố tràn xả lũ Hình 1.6 Sự cố trầm tích bùn cát đến mở cửa van sập tự động khống chế bằng thủy lực Sự cố tràn xả lũ đã xảy ra ở nước ta: Đập Hố Hô (Hà Tĩnh) ngày 3 và 4 /10/2010 do bị kẹt cửa van, không mở được cả 3 cửa van xả lũ dẫn đến lũ vượt qua đỉnh đập 1,0m. 8 Hình 1.7 Lũ tràn qua đỉnh đập Hố Hô Hình 1.8 Tường cánh tràn xả lũ đập Yang Kang Thượng (ở xã Yang Kang, huyện Krông Bông, Đắk Lắk) bị vỡ Ngày 19/07/2015, do mưa liên tục, lượng nước đổ về hồ lớn, nước đã thấm qua thân đập (bị rò rỉ trước đó) dẫn đến phá vỡ tường tràn xả lũ. 1.1.2.3. Sự cố ở cống lấy nước. Các sự cố cống lấy nước thường xảy ra như: Thấm qua thân cống, thân cống bị mục, tấm đáy bị xói tróc, hỏng khớp nối, hỏng sân tiêu năng, cống bị lún, cửa cống không kín nước. 1 – Hang ngầm bên phải mang cống 2 – Hang ngầm bên trái mang cống 3 – Quá trình phát triển của hàng ngầm 4 – Đỉnh đập Hình 1.9 Sự cố thấm, hang ngầm mang cống Sự cố cống lấy nước đã xảy ra ở nước ta: Hồ Khe Vàng (Hương Khê, Hà Tĩnh). Sự cố xảy ra vào vụ hè thu năm 2012. Đất đá 9 vùi lấp mặt trước và sau cống lấy. Trong khi đó mưa rừng ở thượng nguồn lớn, nước trong hồ đạt đã 100% cao trình đập đe dọa an toàn đập. Nguyên nhân là do trong quá trình thi công sửa chữa cống lấy nước trước đó, nhà thầu đã đắp một quai sanh bao quanh trước miệng cống và đào đất ở mái thượng lưu nhằm phục vụ cho việc sửa chữa. Tuy nhiên, sau khi sự cố cống dưới đập được khắc phục thì nhà thầu quên chưa múc hết đất đắp quai sanh và trả lại mặt bằng cho mái thượng lưu. Mưa lớn làm số vật liệu thừa này đã bị tuồn vào lấp miệng cống gây ra sự cố cống bị vùi lấp. Bên cạnh đó trụ giữa của cầu ra cống lấy nước đã có hiện tượng sụt lún. Hình 1.10 đất đá vùi lấp khiến cống bị tắc, không thể điều tiết nước Hình 1.11 Trụ giữa của cầu ra cống lấy nước có hiện tượng sụt lún 1.1.2.4. Sự cố thiệt hại hạ lưu hồ chứa khi xả lũ Trong quá trình thiết kế đánh giá hoặc do quá trình sử dụng tình hình dân sinh phát triển dẫn đến tính toán về thiệt hại hạ lưu khi xả lũ sai. Sự cố thiệt hại hạ lưu hồ chứa khi xả lũ đã xảy ra: Hồ chứa Hố Hô (Hà Tĩnh) xả lũ với cường độ 500m3/s - 1.800m3/s trong 2 ngày từ 13 đến 14/10/2016 cùng với mưa lớn khiến người dân huyện Hương Khê (Hà Tĩnh) và 1 số huyện, xã khác gần đó bị ngập, thiệt hại nặng. Tuy nhiên, việc xả lũ của hồ chứa nước Hố Hô được đánh giá là đúng quy trình. 10 Hình 1.12 hồ chứa nước Hố Hô xả lũ Hình 1.13 Ngập lụt ở hạ lưu hồ Hố Hô 1.2. Lũ vượt thiết kế, nguyên nhân và giải pháp đảm bảo an toàn. 1.2.1. Khái niệm. Trong thực tế do một nguyên nhân nào đó, mực nước trong hồ khi có lũ, vượt mức lũ thiết kế thì ta gọi đó là lũ vượt thiết kế. Ở đây, tác giả đưa ra khái niệm lũ thiết kế và lũ vượt thiết kế như sau: Lũ thiết kế là trận lũ theo tính toán có thể xuất hiện tại tuyến xây dựng công trình tương ứng với tần suất thiết kế công trình. Mực nước lớn nhất thiết kế là mực nước cao nhất xuất hiện trong hồ chứa nước khi trên lưu vực xảy ra lũ thiết kế. Lũ vượt thiết kế là lũ mà làm cho mực nước trong hồ chứa lớn hơn mực nước lớn nhất thiết kế, làm cho các công trình trên hồ chứa vận hành không theo như thiết kế ban đầu tính toán, dẫn đến các sự cố công trình. 1.2.2. Nguyên nhân và tình hình lũ vượt thiết kế. 1.2.2.1. Tình hình lũ vượt thiết kế tại các hồ chứa. Trong thực tế vận hành mực nước trong nhiều hồ chứa nước đã vượt mực nước lũ thiết kế. Theo Bảng tổng hợp thông tin phục vụ chỉ đạo, điều hành hệ thống thủy lợi toàn quốc của Tổng cục Thủy lợi, một số hồ chứa đã có mực nước lũ vượt thiết kế như bảng 1.3. 11 Bảng 1.3 Mực nước vượt thiết kế của một số hồ chứa nước TT Tên hồ chứa 1 2 3 4 5 6 7 8 Cồn Tranh - Hà Tĩnh Khe Sông - Hà Tĩnh Đập Bún - Hà Tĩnh Trà Tân - Bình Thuận Bãi Bông - Hòa Bình Đồng Bến - Hòa Bình Triệu Thượng 1 - Quảng Trị Ông Môi - TT Huế Mực nước lũ thiết kế (m) 19,2 28,0 18,3 96,05 9,0 10,2 15,5 3,31 Mực nước lũ thực tế (m) 20,3 28,85 18,5 96,1 10,0 10,5 15,83 3,9 Mức độ vượt thiết kế (m) 1,1 0,85 0,2 0,05 1,0 0,3 0,33 0,59 Ngày đo 21/11/2016 23/11/2015 31/10/2016 22/08/2014 09/26/2014 08/16/2016 011/1/2016 12/27/2016 1.2.2.2. Nguyên nhân lũ vượt thiết kế. Từ những sự cố hư hỏng hồ chứa nước do lũ vượt thiết kế trong thực tế, rút ra lũ vượt thiết kế xảy là do các nguyên nhân sau: a. Nguyên nhân khách quan: 1) Lũ đến thực tế với tần suất vượt tần suất thiết kế. Yếu tố tác động dẫn đến hiện tượng này có thể là do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, trái đất ngày một nóng lên, băng tan, nước biển dâng, mưa lớn và tần suất mưa ngày càng nhỏ nhơn. Từ những nguyên nhân này và nhiều yếu tố khác tác động, tiêu chuẩn lũ thiết kế cho cụm công trình đầu mối hồ chứa cũng được thay đổi như bảng 1.2. Bảng 1.2 Tiêu chuẩn tính lũ theo các tiêu chuẩn, quy phạm qua các thời kỳ T T 1 1 2 Tiêu chuẩn, Quy phạm Quy định tạm thời về phân cấp CTTL (2/1963) QPTL 160 QPTL-08-76 TCVN 506090 Đặc biệt KT TK Cấp I KT TK Tần suất lũ Cấp II Cấp III KT TK KT TK Cấp IV Cấp V KT TK KT TK 0,01 0,1 2,0 1,0 5,0 0,1 1,0 0,5 1,0 5,0 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 12