Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Kỹ thuật công trình thủy với đề tài "Thiết kế hồ chứa Đăk Mi - Phương án 1" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp thiết về nguồn nước phục vụ sản xuất nông nghiệp và dân sinh tại địa bàn vùng cao.
- Bối cảnh thực tiễn và lý do chọn đề tài: Khu vực xã Sóc Hà (huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng) có diện tích tự nhiên vùng hưởng lợi là 1.478,10 ha, trong đó có 356,62 ha đất canh tác nông nghiệp nhưng chỉ có khoảng 90 ha được tưới nhờ các công trình thủy lợi nhỏ lẻ, còn lại phụ thuộc hoàn toàn vào nước trời. Chế độ khí hậu tại đây phân hóa sâu sắc: mùa khô kéo dài 8 tháng (từ tháng 1 đến tháng 8), lượng mưa chỉ chiếm khoảng 20% tổng lượng mưa năm; mùa mưa tập trung ngắn ngày vào tháng 10 và 11. Tỷ lệ hộ nghèo trong vùng dự án chiếm tới 33% (166/503 hộ). Tuyến đập dâng cũ trên suối Đăk Mi đã bị hư hỏng. Do đó, việc xây dựng hồ chứa nước Đăk Mi là yêu cầu cấp bách nhằm chủ động điều tiết nguồn nước mặt.
- Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu/thiết kế:
- Khai thác hiệu quả nguồn nước suối Đăk Mi, cung cấp nước tưới tự chảy cho 280 ha đất canh tác lúa và cấp nước sinh hoạt cho nhân dân hai xã Quý Quân và Sóc Hà.
- Tiếp nước tưới bổ sung cho trên 200 ha đất canh tác của khu tưới đập Đăk Mi hiện có ở phía hạ lưu.
- Tham gia cắt giảm lũ cho vùng hạ du suối Đăk Mi, giảm thiểu thiệt hại về người và cơ sở hạ tầng.
- Thực hiện 4 phần nhiệm vụ kỹ thuật: Tổng quan (Phần I), Thiết kế cơ sở (Phần II), Thiết kế kỹ thuật các công trình đầu mối (Phần III) và Tính toán chuyên đề kỹ thuật kết cấu (Phần IV).
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Đăk Mi (đập chính, tràn xả lũ, cống ngầm lấy nước).
- Phạm vi không gian: Suối Đăk Mi thuộc xã Sóc Hà, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng với diện tích lưu vực hứng nước $F = 4,20\text{ km}^2$.
- Phạm vi thời gian và tài liệu: Chuỗi số liệu quan trắc khí tượng trạm Cao Bằng (1976–2010) và số liệu quan trắc mưa trạm Vân Canh (1976–2009).
Cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn và phương pháp tính toán
Đồ án vận dụng các lý thuyết cơ học thủy khí, thủy lực công trình, cơ học đất, kết cấu bê tông cốt thép kết hợp hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng thủy lợi hiện hành của Việt Nam.
- Khung pháp lý và tiêu chuẩn áp dụng:
- QCVN 04-05:2012/BNNPTNT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về công trình thủy lợi – các quy định chủ yếu về thiết kế.
- TCVN 8216:2009: Thiết kế đập đất đầm nén.
- TCVN 8421:2010: Công trình thủy lợi – Tải trọng và tác động do sóng và gió lên công trình thủy lợi.
- Giáo trình Đồ án Thủy công (ĐATC) - Đại học Thủy Lợi.
- Mô hình và công cụ phần mềm tính toán:
- Sử dụng phần mềm chuyên ngành GeoStudio 2012 (mô-đun SEEP/W và SLOPE/W) để mô phỏng thấm qua thân đập, nền đập và kiểm tra ổn định trượt mái đập đất ở các trường hợp mực nước bất lợi.
- Phương pháp nghiên cứu và tính toán chuyên ngành:
- Phương pháp cân bằng nước: Lập bảng cân bằng nước theo từng tháng của năm thủy văn (từ tháng IX đến tháng VIII năm sau) để xác định dung tích hữu ích ($V_h$) và Mực nước dâng bình thường (MNDBT), có xét tổn thất bốc hơi ($\Delta Z \cdot F_{tb}$) và tổn thất thấm qua lòng hồ ($K = 1%$).
- Phương pháp thử dần (đúng dần): Giải hệ phương trình vi phân dòng chảy không ổn định (phương trình liên tục dạng sai phân $\frac{Q_1+Q_2}{2}\Delta t - \frac{q_1+q_2}{2}\Delta t = V_2 - V_1$ kết hợp phương trình lưu lượng xả qua tràn $q = m\varepsilon B\sqrt{2g}H^{3/2}$) để tính toán điều tiết lũ cho các phương án bề rộng tràn.
- Phương pháp giải tích và cơ học kết cấu: Tính toán thủy lực nối tiếp đáy sau dốc nước, xác định chiều sâu liên hiệp, kích thước bể tiêu năng; giải bài toán phẳng khung cống hộp bê tông cốt thép chịu tải trọng bản thân, áp lực đất đắp, áp lực nước và phản lực nền.
- Nguồn dữ liệu đầu vào:
- Địa chất: Dữ liệu khoan khảo sát hiện trường, thí nghiệm cơ lý mẫu đất nguyên dạng và thí nghiệm ép nước hố khoan ($q = 1,24\text{ l/ph}$ ở lớp 5 và $q = 0,019\text{ l/ph}$ ở lớp 6).
- Khí tượng - Thủy văn: Lưu lượng bình quân năm $Q_0 = 0,153\text{ m}^3\text{/s}$, tổng lượng dòng chảy năm $W_0 = 4,832 \times 10^6\text{ m}^3$; lưu lượng đỉnh lũ thiết kế $Q_{1%} = 128,4\text{ m}^3\text{/s}$ ($W_{1%} = 2,01 \times 10^6\text{ m}^3$), đỉnh lũ kiểm tra $Q_{0,2%} = 177,3\text{ m}^3\text{/s}$ ($W_{0,2%} = 2,65 \times 10^6\text{ m}^3$).
Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công trình
Căn cứ điều kiện địa hình lòng thung lũng suối Đăk Mi (đáy ở cao độ +19,00 m, sườn núi hai bên từ +65,00 m đến +105,00 m) và địa tầng khu vực, cụm công trình đầu mối được bố trí liên hoàn:
| Hạng mục công trình |
Vị trí bố trí |
Hình thức kết cấu và giải pháp kỹ thuật |
| Đập chính |
Cắt ngang thung lũng, cách tuyến đập cũ 150 m về phía hạ lưu; dài khoảng 700 m |
Đập đất đồng chất đầm nén ($K \ge 0,97$); mái thượng lưu gia cố tấm bê tông, mái hạ lưu trồng cỏ; bố trí lăng trụ thoát nước, tầng lọc ngược áp mái và rãnh thoát nước cơ đập. |
| Tràn xả lũ |
Bố trí bên vai phải đập trên sườn núi |
Tràn chảy tự do ngưỡng thực dụng hình thang, không cửa van; nối tiếp dốc nước thu hẹp và mở rộng, bể tiêu năng đáy chìm và kênh xả đưa nước về suối cũ. |
| Cống lấy nước |
Bố trí trong thân đập phía vai trái tại cọc TC1 |
Cống ngầm bằng bê tông cốt thép dạng có áp, cửa vào có tháp van điều tiết, van đóng mở vận hành đặt tại hạ lưu. |
| Nhà quản lý & đường giao thông |
Đặt trên đồi vai phải chếch về hạ lưu |
Đường quản lý nối từ cầu qua tràn, men theo đường đồng mức sườn dốc kết nối với đường dọc kênh chính. |
[ Hồ chứa nước Đăk Mi ]
[ Cống ngầm TC1 ] [ Đập chính ] [ Tràn xả lũ tự do ]
(Thân đập vai trái) (Đất đồng chất) (Sườn núi vai phải)
[ Kênh tưới ] [ Hạ lưu suối ] [ Dốc nước + Bể tiêu năng ]
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về công trình
Chương này tổng hợp toàn diện điều kiện tự nhiên, dân sinh kinh tế và thủy văn vùng dự án. Địa tầng tuyến công trình được phân chia chi tiết thành 8 lớp/phân lớp: Lớp 1 (sét pha cát mịn $aQ$, $K=7,22 \times 10^{-4}\text{ cm/s}$), Lớp 1a (sét pha sạn sỏi $aQ$, $K=1,86 \times 10^{-4}\text{ cm/s}$), Lớp 2 (cát cuội sỏi lòng suối $pQ$, $K=2,22 \times 10^{-3}\text{ cm/s}$), Lớp 3 (cát pha lẫn sỏi cuội $pQ$, bề dày 2,0–5,0 m), Lớp 4 (sét pha dQ ở hai vai đập), Lớp 4a (sét pha dăm sạn $eQ$), Lớp 5 (đá granite phong hóa nứt nẻ) và Lớp 6 (đá granite biotit hạt trung đến mịn liền khối, cách nước tốt). Về vật liệu xây dựng, đồ án quy hoạch 3 mỏ đất với tổng trữ lượng 500.000 $\text{m}^3$ (BVL3 ở vai phải; BVL4A và 4C ở bãi bồi hạ lưu), đáp ứng nhu cầu 300.000 $\text{m}^3$ đất đắp thân đập.
Chương 2. Xác định các thông số cơ bản của công trình
Theo QCVN 04-05:2012/BNNPTNT, công trình có chiều cao đập $> 15\text{ m}$ trên nền bở rời thuộc Cấp II. Các chỉ tiêu thiết kế khống chế: tần suất bảo đảm tưới $P = 85%$, lũ thiết kế $P = 1,0%$, lũ kiểm tra $P = 0,2%$, tuổi thọ bùn cát $T = 75\text{ năm}$ ($W_T = 666\text{ m}^3\text{/năm}$).
- Xác định Mực nước chết: Cao trình bùn cát $Z_{bc} = 21,77\text{ m}$, điều kiện lắng đọng cho $MNC_1 = 23,27\text{ m}$ ứng với dung tích chết $V_c = 0,172 \times 10^6\text{ m}^3$; điều kiện tưới tự chảy cho $MNC_2 = 23,00\text{ m}$. Lựa chọn $MNC = 23,27\text{ m}$.
- Điều tiết hồ chứa: Qua 2 vòng lặp tính toán cân bằng nước (sai số lần 2 đạt $0,42%$), xác định được dung tích hiệu dụng $V_h = 2,130 \times 10^6\text{ m}^3$, dung tích toàn bộ ứng với MNDBT là $V_{bt} = 2,302 \times 10^6\text{ m}^3$, cao trình Mực nước dâng bình thường $Z_{MNDBT} = 31,42\text{ m}$.
Chương 3. Thiết kế sơ bộ và lựa chọn phương án hợp lý
Tác giả tiến hành tính toán điều tiết lũ bằng phương pháp thử dần với bước thời gian $\Delta t = 0,49\text{ h}$, so sánh 3 phương án bề rộng tràn $B_{tr} = 15\text{ m}$, $20\text{ m}$ và $25\text{ m}$.
| Thông số so sánh |
Phương án 1 ($B_{tr} = 15\text{ m}$) |
Phương án 2 ($B_{tr} = 20\text{ m}$) |
Phương án 3 ($B_{tr} = 25\text{ m}$) |
| Mực nước lũ thiết kế ($P=1%$) |
$34,04\text{ m}$ |
$33,64\text{ m}$ |
$33,35\text{ m}$ |
| Lưu lượng xả lớn nhất ($P=1%$) |
$120,698\text{ m}^3\text{/s}$ |
$125,061\text{ m}^3\text{/s}$ |
$127,377\text{ m}^3\text{/s}$ |
| Mực nước lũ kiểm tra ($P=0,2%$) |
$34,75\text{ m}$ |
$34,20\text{ m}$ |
$33,84\text{ m}$ |
| Lưu lượng xả lớn nhất ($P=0,2%$) |
$172,561\text{ m}^3\text{/s}$ |
$175,863\text{ m}^3\text{/s}$ |
$177,851\text{ m}^3\text{/s}$ |
| Cao trình đỉnh đập tính toán ($Z_2$) |
$35,31\text{ m}$ |
$34,90\text{ m}$ |
$34,62\text{ m}$ |
| Chiều cao đập đất tương ứng |
$17,31\text{ m}$ |
$16,90\text{ m}$ |
$16,62\text{ m}$ |
Trên cơ sở tính toán khối lượng đào đắp đập đất, khối lượng bê tông tràn xả lũ và tổng giá thành xây dựng, tác giả lựa chọn Phương án 2 ($B_{tr} = 20\text{ m}$) làm phương án thiết kế kỹ thuật.
Chương 4. Thiết kế đập chính
Thiết kế chi tiết mặt cắt đập đồng chất với cao trình đỉnh đập $+34,90\text{ m}$, chiều rộng đỉnh đập $B = 5,0\text{ m}$. Mái thượng lưu có hệ số mái dốc $m = 3,0 \div 3,5$ lát tấm bê tông; mái hạ lưu bố trí cơ đập rộng $2,0\text{ m}$ tại cao trình chuyển tiếp, có rãnh thoát nước và trồng cỏ bảo vệ. Mô phỏng thấm trên GeoStudio 2012 xác định đường bão hòa trong các trường hợp MNDBT, MNLTK, MNLKT và mực nước rút nhanh; tính toán ổn định trượt cung tròn đạt hệ số an toàn $K > K_{cp} = 1,30$.
Chương 5. Thiết kế tràn xả lũ
Tràn xả lũ gồm ngưỡng tràn thực dụng không chân pin ($B_{tr} = 20\text{ m}$, cao trình đỉnh ngưỡng $+31,42\text{ m}$), đoạn co hẹp nối tiếp dốc nước và bể tiêu năng đáy chìm. Tính toán thủy lực xác định độ sâu dòng chảy đầu dốc, độ sâu dòng đều $h_0$, vận tốc dòng chảy cuối dốc $v_{cuối}$, kiểm tra hiện tượng hàm khí và hiện tượng xói đáy. Bể tiêu năng được thiết kế đảm bảo tạo nước nhảy ngập đáy trong mọi cấp lưu lượng xả lũ.
Chương 6. Thiết kế cống ngầm lấy nước
Xác định khẩu diện cống ngầm tại cọc TC1 đáp ứng lưu lượng tưới thiết kế và tưới tăng cường; cao trình đặt đáy cống khống chế theo cao trình mực nước chết và tổn thất thủy lực. Tháp van thượng lưu được trang bị van công tác và van sửa chữa; thân cống bố trí các khớp nối lún có gioăng cao su chống thấm; kiểm tra vị trí nước nhảy và tính toán tiêu năng nối tiếp sau cống.
Chương 7. Tính toán kết cấu cống ngầm
Lập sơ đồ tải trọng tác dụng lên mặt cắt ngang cống hộp bê tông cốt thép trong hai giai đoạn: thi công (chưa có nước) và vận hành (chịu áp lực cột nước cực đại kết hợp áp lực đất đắp đỉnh cống). Xác định biểu đồ mômen uốn, lực cắt và lực dọc; tính toán diện tích cốt thép chịu lực chính, cốt đai, cốt xiên gia cường chịu ứng suất chính kéo; kiểm tra bề rộng vết nứt theo tiêu chuẩn cho phép.
Kết quả tính toán và đóng góp kỹ thuật
- Hệ thống thông số kỹ thuật then chốt:
- Cao trình mực nước chết (MNC): $+23,27\text{ m}$ ($V_c = 0,172 \times 10^6\text{ m}^3$).
- Cao trình mực nước dâng bình thường (MNDBT): $+31,42\text{ m}$ ($V_{bt} = 2,302 \times 10^6\text{ m}^3$).
- Mực nước lũ thiết kế ($P=1%$): $+33,64\text{ m}$; Mực nước lũ kiểm tra ($P=0,2%$): $+34,20\text{ m}$.
- Cao trình đỉnh đập đất: $+34,90\text{ m}$; Chiều cao đập lớn nhất: $H_{đ} = 16,90\text{ m}$; Bề rộng ngưỡng tràn: $B_{tr} = 20,0\text{ m}$.
- Giải pháp kỹ thuật tối ưu: Đã chứng minh phương án tràn tự do $B_{tr} = 20\text{ m}$ tạo ra sự cân bằng kinh tế - kỹ thuật hợp lý giữa việc giảm chiều cao đập đất (tiết kiệm khối lượng đắp) và khống chế khối lượng đào đá, bê tông của dốc nước tràn xả lũ.
- Đóng góp kỹ thuật của đồ án: Cung cấp bộ hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh từ tính toán khí tượng thủy văn, cân bằng điều tiết nguồn nước, thiết kế thủy lực các công trình đầu mối cho đến kiểm tra kết cấu bê tông cốt thép chịu áp lực phức tạp, đáp ứng mục tiêu cấp nước và phòng chống thiên tai cho địa phương.
Hạn chế và hướng nghiên cứu mở rộng
- Hạn chế được ghi nhận: Do giới hạn thời gian làm đồ án tốt nghiệp (14 tuần) và điều kiện số liệu thực tế, tác giả chưa đi sâu tính toán toàn bộ các tổ hợp tải trọng đặc biệt (như động đất, sự cố kẹt van cống ở các cấp độ mở cục bộ bất lợi) cũng như chưa giải quyết triệt để các bài toán thấm không gian 3 chiều qua hai vai đập phức tạp.
- Hướng mở rộng: Cần bổ sung quan trắc thực địa chi tiết hơn về đứt gãy khe nứt vai đập, nghiên cứu mô phỏng dòng chảy 3D qua tràn dốc nước co hẹp để tối ưu hóa tường cánh hướng dòng và bể tiêu năng khi triển khai giai đoạn thiết kế bản vẽ thi công.
Giá trị tham khảo chuyên ngành
Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật công trình thủy, Thủy lợi - Thủy điện, Kỹ thuật tài nguyên nước trong quá trình thực hiện đồ án môn học Thủy công, Đồ án tốt nghiệp kỹ sư hoặc các kỹ sư tư vấn thiết kế công trình hồ chứa quy mô vừa và nhỏ:
- Bảng biểu tính toán điều tiết hồ chứa và điều tiết lũ bằng phương pháp thử dần chi tiết từng bước.
- Quy trình áp dụng TCVN 8421:2010 để tính toán sóng gió, chiều cao nước dềnh và sóng leo trên mái dập nghiêng.
- Chuỗi số liệu địa chất, chỉ tiêu cơ lý mẫu đất và quy trình tính toán kết cấu cống ngầm bê tông cốt thép đặt dưới thân đập đất.
Câu hỏi thường gặp
1. Cụm công trình đầu mối hồ chứa Đăk Mi được phân cấp kỹ thuật như thế nào?
Theo QCVN 04-05:2012/BNNPTNT, mặc dù theo dung tích ($< 3 \times 10^6\text{ m}^3$) và diện tích tưới ($200\text{ ha}$) công trình thuộc cấp IV, nhưng xét theo chiều cao đập đất ($H_đ = 16,90\text{ m} > 15\text{ m}$) xây dựng trên nền đất bở rời (nền B) nên cụm công trình đầu mối được phân vào Cấp II.
2. Mực nước dâng bình thường (MNDBT) và dung tích hiệu dụng ($V_h$) được xác định bằng phương pháp nào?
Được xác định thông qua phương pháp lập bảng cân bằng nước theo từng tháng của năm thủy văn ứng với tần suất bảo đảm tưới $P = 85%$. Sau 2 vòng lặp tính toán có xét đến tổn thất thấm ($1%$) và bốc hơi phụ thêm mặt thoáng, dung tích hiệu dụng xác định được là $V_h = 2,130 \times 10^6\text{ m}^3$, tương ứng với cao trình $Z_{MNDBT} = 31,42\text{ m}$ (dung tích toàn bộ $V_{bt} = 2,302 \times 10^6\text{ m}^3$).
3. Tại sao tác giả lựa chọn phương án bề rộng tràn $B_{tr} = 20\text{ m}$ thay vì $15\text{ m}$ hoặc $25\text{ m}$?
Phương án $B_{tr} = 15\text{ m}$ làm mực nước lũ dâng cao ($MNLKT = 34,75\text{ m}$), đòi hỏi đập đất phải đắp cao $+35,31\text{ m}$, làm tăng khối lượng đắp đập rất lớn. Phương án $B_{tr} = 25\text{ m}$ tuy hạ thấp được đỉnh đập ($+34,62\text{ m}$) nhưng làm tăng mạnh khối lượng đào xẻ đá sườn núi và bê tông tràn xả lũ. Phương án $B_{tr} = 20\text{ m}$ đạt giá trị tối ưu về tổng kinh phí đầu tư sơ bộ.
4. Địa tầng nền tại vị trí tuyến đập có đặc điểm chịu lực và chống thấm như thế nào?
Nền đập gồm các lớp bồi tích $aQ$, lũ tích $pQ$ phía trên và đá gốc granite phía dưới. Trong đó, Lớp 2 (cuội sỏi lòng suối) và Lớp 3 (cuội kết, cát kết) có hệ số thấm lớn ($K = 2,22 \times 10^{-3}\text{ cm/s}$) cần xử lý chân khay chống thấm; lớp đá phong hóa nứt nẻ (Lớp 5, $q = 1,24\text{ l/ph}$) được bóc bỏ hoặc khoan phụt vữa; lớp đá gốc granite liền khối (Lớp 6, $q = 0,019\text{ l/ph}$) có khả năng chịu lực rất tốt và cách nước hoàn toàn.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hồ chứa Đăk Mi - Phương án 1" đã hoàn thành đầy đủ khối lượng tính toán chuyên môn của một đồ án kỹ sư công trình thủy lợi, giải quyết bài toán kỹ thuật từ tổng quan thủy văn đến thiết kế chi tiết cụm đầu mối. Các giải pháp lựa chọn đập đất đồng chất kết hợp tràn xả lũ tự do $B_{tr} = 20\text{ m}$ và cống lấy nước có áp tại vai trái đảm bảo tính an toàn chịu lực, ổn định thấm và tính khả thi thi công. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về phương pháp luận và trình tự thiết kế các công trình thủy lợi vừa và nhỏ tại Việt Nam.
