Tổng quan nghiên cứu

Cầu Khe Trí, nằm trên tuyến đường Hồ Chí Minh tại tỉnh Hà Tĩnh, là công trình giao thông quan trọng bắc qua sông Khe Trí, khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp từ việc xả lũ hồ Ngàn Trươi. Hồ Ngàn Trươi có dung tích hữu ích khoảng 750 triệu m³, phục vụ tưới tiêu cho hơn 32.585 ha đất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản 5.991 ha, phát điện với công suất 15 MW và cải tạo môi trường sinh thái hạ du. Khi xả lũ, lưu lượng dòng chảy qua cầu Khe Trí có thể tăng từ 900 m³/s lên đến 3.147 m³/s, gây áp lực lớn lên công trình và nguy cơ mất ổn định lòng dẫn.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng thoát lũ và ổn định lòng dẫn của cầu Khe Trí khi xả lũ từ hồ Ngàn Trươi, từ đó đề xuất các giải pháp công trình nhằm nâng cao an toàn và hiệu quả thoát lũ. Nghiên cứu tập trung vào phân tích thủy lực dòng chảy, xác định khẩu độ cầu hợp lý, đánh giá hiện trạng và các phương án cải tạo lòng dẫn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực cầu Khe Trí và vùng hạ lưu, thượng lưu sông Ngàn Trươi, với dữ liệu thu thập và thí nghiệm mô hình thủy lực thực hiện trong điều kiện lưu lượng lũ thiết kế và kiểm tra.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc đảm bảo an toàn công trình giao thông, giảm thiểu nguy cơ xói lở, ngập úng khu vực hạ lưu, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả khai thác hồ chứa và phát triển kinh tế xã hội vùng hạ lưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực dòng chảy trong lòng sông có công trình cầu, bao gồm:

  • Tiêu chuẩn Froude: Áp dụng để mô phỏng dòng chảy có áp lực trong mô hình vật lý, đảm bảo tính tương tự thủy lực giữa mô hình và thực tế.
  • Lý thuyết động lực học dòng chảy: Phân tích sự biến đổi lưu tốc, áp suất động và sóng dao động trong khu vực cầu, đặc biệt khi dòng chảy bị thu hẹp và gặp vật cản.
  • Mô hình mạng sông thủy lực: Thiết lập mô hình toán học mạng sông để tính toán thủy lực tổng thể, đánh giá ảnh hưởng của các phương án cải tạo lòng dẫn và khẩu độ cầu.
  • Các khái niệm chính gồm: lưu lượng đỉnh lũ, mực nước thượng hạ lưu, áp suất động, sóng dao động hai bên bờ, lưu tốc trung bình và mạch động dòng chảy, tổn thất cục bộ thủy lực.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:

  • Nghiên cứu thực địa: Thu thập số liệu địa hình, địa chất, hiện trạng công trình cầu và lòng sông khu vực Khe Trí.
  • Thí nghiệm mô hình vật lý: Xây dựng mô hình thủy lực tỷ lệ 1:50, kích thước 32m x 11m x 1m, mô phỏng dòng chảy qua cầu với các cấp lưu lượng từ 900 m³/s đến 3.147 m³/s. Thiết bị đo hiện đại như máy đo lưu tốc điện từ, đầu đo áp suất, máy đo mực nước được sử dụng để thu thập dữ liệu chính xác.
  • Mô hình toán học mạng sông: Thiết lập bài toán thủy lực mạng sông Khe Trí và sông Ngàn Trươi, tính toán thủy lực, so sánh kết quả với thí nghiệm mô hình để kiểm định độ tin cậy.
  • Phân tích số liệu: Đánh giá sai số, so sánh mực nước trước và sau cầu, lưu tốc dòng chảy, sóng dao động, áp suất động và hiện tượng xói lở lòng dẫn.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật và thi công công trình đầu mối hồ Ngàn Trươi, với các bước thí nghiệm mô hình, phân tích dữ liệu và đề xuất giải pháp hoàn thành trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng thoát lũ hiện trạng của cầu Khe Trí: Khi lưu lượng xả lũ đạt 1.750 m³/s, mực nước thượng lưu chạm đến cao trình đáy dầm cầu (17,55 m), chênh lệch mực nước trước và sau cầu lên đến 1,4 m, gây tổn thất cục bộ lớn. Với lưu lượng cực đại 3.147 m³/s, mực nước thượng lưu đạt 21,46 m, gây ngập sâu mặt đường Hồ Chí Minh bên trái cầu đến 0,9 m, bên phải cũng bị ngập từ 0,5 đến 0,75 m.

  2. Lưu tốc dòng chảy và áp lực động: Lưu tốc trung bình tại khu vực cầu có thể lên đến 7 m/s, đặc biệt tại khoang bên phải cầu, gây dòng chảy xiết và lệch sang phải. Áp lực động lớn và sóng dao động hai bên bờ có biên độ lên đến 0,9 m, làm tăng nguy cơ xói lở chân trụ cầu và bờ sông.

  3. Hiện tượng xói lở và mất ổn định lòng dẫn: Do dòng chảy bị thu hẹp đột ngột và tác động của trụ cầu, khu vực trước và sau cầu xuất hiện xói lở mạnh, đặc biệt tại chân trụ cầu và bãi đất dưới chân cầu bên phải với lưu tốc lên đến 9 m/s. Địa chất vùng cửa ra phức tạp, lớp phủ phong hóa mạnh, làm tăng nguy cơ xói lở cục bộ.

  4. Ảnh hưởng của các phương án cải tạo: Mở rộng lòng dẫn, nạo vét lòng sông và tăng khẩu độ cầu được xác định là cần thiết để giảm lưu tốc dòng chảy, giảm chênh lệch mực nước và tăng khả năng thoát lũ. Các phương án mở rộng 1 hoặc 2 nhịp cầu cho thấy giảm đáng kể áp lực dòng chảy và tổn thất cục bộ.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm mô hình và mô hình toán học cho thấy cầu Khe Trí hiện trạng không đảm bảo khả năng thoát lũ khi xả lũ hồ Ngàn Trươi với lưu lượng lớn, gây nguy cơ ngập úng và xói lở nghiêm trọng. So sánh với các nghiên cứu tương tự tại các công trình tràn xả lũ như sông Hinh (2006) và tràn xả lũ Cửa Đạt (2007), hiện tượng xói lở và tổn thất công trình do dòng chảy xiết và sóng dao động là phổ biến và cần được xử lý kịp thời.

Việc mở rộng khẩu độ cầu và nạo vét lòng dẫn giúp giảm lưu tốc dòng chảy tối đa từ gần 9 m/s xuống mức an toàn hơn, đồng thời giảm chênh lệch mực nước trước và sau cầu, hạn chế tổn thất cục bộ. Các số liệu về sóng dao động và áp lực động cũng giảm đáng kể, góp phần bảo vệ công trình và bờ sông.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ lưu lượng - mực nước trước và sau cầu, bảng so sánh lưu tốc trung bình và áp lực động tại các vị trí khác nhau, cũng như bản đồ phân bố sóng dao động hai bên bờ để minh họa rõ ràng tác động của các phương án cải tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng khẩu độ cầu Khe Trí: Tăng số nhịp cầu từ 2 lên 3 hoặc 4 nhịp, mỗi nhịp dài 33 m, nhằm giảm lưu tốc dòng chảy qua cầu, đảm bảo thoát lũ an toàn với lưu lượng lên đến 3.147 m³/s. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và thi công công trình mới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thiết kế.

  2. Nạo vét và mở rộng lòng dẫn hạ lưu và thượng lưu cầu: Nạo vét lòng sông dài 200-300 m trước và sau cầu để giảm tổn thất cục bộ, ổn định lòng dẫn, hạn chế xói lở. Thời gian thực hiện: trước khi vận hành hồ chứa. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý công trình thủy lợi và đơn vị thi công.

  3. Gia cố bảo vệ bờ sông và chân trụ cầu: Thiết kế và thi công các công trình bảo vệ chống xói lở như kè đá, bê tông cốt thép tại các vị trí xói lở nghiêm trọng, đặc biệt bên phải cầu và chân trụ cầu. Thời gian thực hiện: song song với nạo vét lòng dẫn. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thi công.

  4. Lắp đặt hệ thống quan trắc thủy lực tự động: Theo dõi liên tục mực nước, lưu tốc và áp lực động tại khu vực cầu để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng bất thường trong mùa lũ. Thời gian thực hiện: ngay sau khi hoàn thành công trình. Chủ thể thực hiện: Trung tâm nghiên cứu thủy lực và Ban quản lý công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và quản lý công trình thủy lợi, giao thông: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và giải pháp kỹ thuật để thiết kế cầu và công trình thoát lũ an toàn, phù hợp với điều kiện lưu vực có hồ chứa lớn.

  2. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Tham khảo để xây dựng kế hoạch vận hành hồ chứa, điều tiết lũ hợp lý, giảm thiểu rủi ro ngập lụt và xói lở vùng hạ lưu.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, thủy văn, kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo về phương pháp thí nghiệm mô hình thủy lực, mô hình toán học mạng sông và phân tích thủy lực công trình cầu.

  4. Đơn vị thi công và bảo trì công trình thủy lợi, cầu đường: Hướng dẫn kỹ thuật thi công, gia cố và bảo trì công trình nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả khai thác lâu dài.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần mở rộng khẩu độ cầu Khe Trí?
    Khi lưu lượng xả lũ từ hồ Ngàn Trươi lên đến 3.147 m³/s, cầu hiện trạng với 2 nhịp không đủ khả năng thoát lũ, gây ngập úng và xói lở. Mở rộng khẩu độ giúp giảm lưu tốc dòng chảy, tăng khả năng thoát lũ và bảo vệ công trình.

  2. Phương pháp thí nghiệm mô hình thủy lực được áp dụng như thế nào?
    Mô hình vật lý tỷ lệ 1:50 được xây dựng với kích thước 32m x 11m x 1m, mô phỏng dòng chảy qua cầu với các cấp lưu lượng khác nhau. Thiết bị đo hiện đại thu thập dữ liệu mực nước, lưu tốc, áp lực động để phân tích thủy lực thực tế.

  3. Ảnh hưởng của sóng dao động hai bên bờ là gì?
    Sóng dao động có biên độ lên đến 0,9 m tạo ra áp lực không đều, gây xói lở bờ sông và làm tăng nguy cơ mất ổn định lòng dẫn, ảnh hưởng đến an toàn công trình cầu và đường giao thông.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu xói lở tại khu vực cầu?
    Ngoài việc mở rộng khẩu độ cầu và nạo vét lòng dẫn, cần gia cố bờ sông và chân trụ cầu bằng các công trình bảo vệ như kè đá, bê tông cốt thép, đồng thời theo dõi và vận hành hồ chứa hợp lý.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các công trình khác không?
    Các phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các công trình cầu và hồ chứa tương tự, đặc biệt trong điều kiện lưu lượng xả lũ lớn và địa hình phức tạp, giúp nâng cao an toàn và hiệu quả khai thác.

Kết luận

  • Cầu Khe Trí hiện trạng không đảm bảo khả năng thoát lũ khi xả lũ hồ Ngàn Trươi với lưu lượng lên đến 3.147 m³/s, gây ngập úng và xói lở nghiêm trọng.
  • Thí nghiệm mô hình vật lý và mô hình toán học đã xác định rõ các thông số thủy lực, lưu tốc, áp lực động và sóng dao động ảnh hưởng đến công trình.
  • Mở rộng khẩu độ cầu, nạo vét lòng dẫn và gia cố bờ sông là các giải pháp kỹ thuật cần thiết để nâng cao khả năng thoát lũ và ổn định lòng dẫn.
  • Việc lắp đặt hệ thống quan trắc thủy lực tự động giúp theo dõi và quản lý an toàn công trình trong mùa lũ.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thiết kế chi tiết các giải pháp cải tạo, thi công và giám sát vận hành công trình nhằm đảm bảo an toàn lâu dài.

Kêu gọi hành động: Các cơ quan quản lý, đơn vị thiết kế và thi công cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất để bảo vệ công trình cầu Khe Trí, đảm bảo an toàn giao thông và phát triển bền vững vùng hạ lưu hồ Ngàn Trươi.