Tổng quan nghiên cứu

Thủy điện và thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội, cung cấp nguồn năng lượng sạch và điều tiết nước phục vụ sản xuất, sinh hoạt. Trên thế giới, công suất lắp đặt thủy điện đạt khoảng 737,4 GW, chiếm gần 20% tổng sản lượng điện, với khoảng 118 GW công suất mới đang xây dựng. Ở Việt Nam, từ thập niên 80, nhiều công trình thủy điện và thủy lợi lớn đã được xây dựng, trong đó tràn xả lũ tiêu năng dạng mũi phun chiếm tỷ lệ cao, khoảng 52% trong tổng số công trình tràn xả lũ. Hồ chứa nước và đập tràn có nhiệm vụ tích nước, điều tiết lũ và xả lưu lượng nước dư đảm bảo an toàn cho công trình và vùng hạ lưu.

Tuy nhiên, dòng chảy sau đập tràn có năng lượng lớn, gây ra hiện tượng xói lở nền đá, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình hạ lưu như cầu giao thông. Ví dụ, mùa lũ năm 2006 tại đập tràn sông Hinh đã làm trôi cầu giao thông cách đập khoảng 800m; năm 2008, xả lũ thi công công trình Cửa Đạt (Thanh Hóa) gây vỡ mố cầu bờ trái. Những hiện tượng này chưa được tính toán đầy đủ trong thiết kế, dẫn đến nguy cơ mất an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình tràn xả lũ Hồ Sông Cái (Ninh Thuận), dựa trên phân tích chế độ thủy lực dòng chảy sau công trình tiêu năng dạng mũi phun. Nghiên cứu nhằm đề xuất các giải pháp kỹ thuật để bảo đảm an toàn công trình giao thông và giảm thiểu xói lở hạ lưu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình đầu mối hồ chứa nước Sông Cái, với dữ liệu thí nghiệm mô hình thủy lực và tính toán lý thuyết, trong bối cảnh điều kiện địa chất nền đá granite có cường độ kháng nén trên 600 kg/cm².

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 sau công trình tiêu năng, bao gồm:

  • Lý thuyết tiêu năng dòng phun: Dòng chảy phóng ra từ mũi phun có lưu tốc lớn, năng lượng được tiêu hao chủ yếu trong không khí và một phần trong lòng sông qua hồ xói. Chiều dài phóng xa và chiều sâu hồ xói được xác định bằng các công thức kinh nghiệm và lý thuyết, như công thức của Viện nghiên cứu thủy lợi Trường Giang và công thức tính chiều sâu hồ xói của Trần Xuân Đình.

  • Mô hình xói nền đá: Quá trình xói nền đá do tác động của dòng phun được mô tả qua chu trình vật lý gồm dao động áp lực thủy động, lực cắt, lực nâng nước xâm nhập vào khe nứt đá, và sự phá hủy các viên đá. Các yếu tố ảnh hưởng gồm lưu lượng đơn vị, cột nước, tính chất cơ lý của nền đá, chiều sâu nước đệm hạ lưu, thời gian xả lũ, góc hắt và góc tới của dòng phun.

  • Khái niệm chính:

    • Chiều dài phóng xa (L): Khoảng cách dòng phun rơi xuống mặt nước hạ lưu.
    • Chiều sâu hồ xói (T): Độ sâu hố xói tại vị trí dòng phun tác động.
    • Góc hắt (α): Góc phóng của dòng chảy tại mũi phun.
    • Lưu tốc mũi phun (Vip): Vận tốc dòng chảy tại mũi phun.
    • Hệ số K: Hệ số liên quan đến tính chất cơ lý của nền đá ảnh hưởng đến độ sâu xói.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng tài liệu chuyên khảo, giáo trình thủy công, thủy lực, động lực học sông biển, báo cáo kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thí nghiệm mô hình thủy lực công trình đầu mối hồ chứa nước Sông Cái. Thí nghiệm mô hình được thực hiện với tỷ lệ mô hình phù hợp, đo đạc các thông số thủy lực như lưu tốc, áp lực, chiều dài dòng phun, chiều sâu hồ xói.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thủy lực được thiết kế theo tỷ lệ chuẩn, đảm bảo tái hiện chính xác điều kiện thực tế của công trình. Các phương án thiết kế và vận hành tràn xả lũ được thử nghiệm để đánh giá ảnh hưởng đến dòng chảy và hồ xói.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2009-2010, bao gồm thu thập tài liệu, thiết kế và thi công mô hình, tiến hành thí nghiệm, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chiều dài phóng xa dòng chảy: Kết quả thí nghiệm mô hình cho thấy chiều dài phóng xa dòng phun tại mũi hắt công trình Hồ Sông Cái đạt khoảng 30-35 m, tương ứng với lưu tốc mũi phun Vip khoảng 25-30 m/s và góc hắt α từ 25° đến 27°. So với công thức lý thuyết, sai số dưới 10%, cho thấy mô hình thí nghiệm phản ánh chính xác thực tế.

  2. Chiều sâu hồ xói: Độ sâu hồ xói đo được trong mô hình đạt từ 3,5 đến 4,2 m tùy thuộc vào lưu lượng xả lũ và thời gian vận hành. So với công thức tính của Trần Xuân Đình, kết quả thí nghiệm cao hơn khoảng 15%, do ảnh hưởng của đặc tính cơ lý nền đá granite và thời gian xả lũ kéo dài.

  3. Ảnh hưởng của lưu lượng và thời gian xả lũ: Khi lưu lượng xả lũ tăng từ 200 m³/s lên 350 m³/s, chiều sâu hồ xói tăng khoảng 20%. Thời gian xả lũ kéo dài từ 1 giờ lên 3 giờ làm chiều sâu hồ xói tăng thêm khoảng 10%, cho thấy thời gian xả lũ là yếu tố quan trọng trong thiết kế hồ xói.

  4. Tác động đến cầu giao thông hạ lưu: Mực nước hạ lưu tăng lên 0,5-0,7 m khi xả lũ với lưu lượng lớn, gây dao động sóng và áp lực mạch động lên cầu giao thông cách đập khoảng 800-1500 m. Kết quả thí nghiệm cảnh báo nguy cơ xói lở chân trụ cầu và ngập mặt cầu nếu cao trình cầu không được xác định hợp lý.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở và tác động đến cầu giao thông là do năng lượng dòng chảy phóng xa từ mũi hắt đập tràn, với lưu tốc cao và góc phóng phù hợp tạo ra dòng phun mạnh. So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại đập Brack (Liên Xô cũ), Guri (Venezuela) và Tam Hiệp (Trung Quốc), công trình Hồ Sông Cái có đặc điểm tương tự về hình thức tiêu năng dòng phun nhưng có sự khác biệt về điều kiện địa chất và lưu lượng thiết kế.

Việc sử dụng mô hình thủy lực giúp đánh giá chính xác hơn các thông số thủy lực và hồ xói, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật phù hợp. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng xả lũ và chiều sâu hồ xói, bảng so sánh kết quả thí nghiệm và tính toán lý thuyết, cũng như sơ đồ mô tả dòng phun và vị trí cầu giao thông hạ lưu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế cao trình cầu giao thông, bố trí hồ xói và lựa chọn phương án vận hành tràn xả lũ nhằm bảo đảm an toàn công trình và giảm thiểu tác động xấu đến môi trường hạ lưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xác định cao trình cầu giao thông hợp lý: Đề nghị thiết kế cao trình cầu giao thông ở hạ lưu công trình tràn xả lũ Hồ Sông Cái cao hơn mực nước lũ thiết kế ít nhất 1,0 m để tránh ngập và tác động sóng vỗ. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và đơn vị thiết kế cầu. Thời gian: Trước khi thi công cầu.

  2. Thiết kế hồ xói tiêu năng phù hợp: Bố trí hồ xói với chiều sâu và chiều dài đủ lớn theo kết quả nghiên cứu mô hình, đảm bảo tiêu hao năng lượng dòng phun hiệu quả, giảm xói lở nền đá và bảo vệ công trình hạ lưu. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế thủy lợi. Thời gian: Giai đoạn thiết kế công trình.

  3. Kiểm soát lưu lượng và thời gian xả lũ: Áp dụng quy trình vận hành tràn xả lũ hợp lý, hạn chế lưu lượng xả vượt quá công suất thiết kế và thời gian xả lũ kéo dài để giảm thiểu xói lở và tác động đến cầu giao thông. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý hồ chứa. Thời gian: Trong quá trình vận hành.

  4. Gia cố và bảo vệ công trình hạ lưu: Thực hiện gia cố chân trụ cầu, bờ sông và các công trình dân sinh bằng các biện pháp kỹ thuật như bê tông cốt thép, kè đá để chống xói lở. Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý xây dựng và bảo trì công trình. Thời gian: Sau khi hoàn thành công trình.

  5. Theo dõi và đánh giá thường xuyên: Thiết lập hệ thống quan trắc thủy lực và xói lở tại khu vực hạ lưu để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng bất thường. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu thủy lợi và Ban quản lý hồ chứa. Thời gian: Liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ về chế độ thủy lực dòng chảy sau tràn xả lũ, từ đó thiết kế các công trình tiêu năng và cầu giao thông an toàn, hiệu quả.

  2. Quản lý vận hành hồ chứa và đập tràn: Áp dụng các giải pháp vận hành tràn xả lũ hợp lý, kiểm soát lưu lượng và thời gian xả để giảm thiểu rủi ro xói lở và hư hỏng công trình hạ lưu.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên thủy lợi, thủy công: Tài liệu tham khảo bổ ích cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về thủy lực dòng chảy, mô hình thí nghiệm và thiết kế công trình tiêu năng.

  4. Cơ quan quản lý xây dựng và bảo trì công trình giao thông: Hiểu rõ tác động của dòng chảy xả lũ đến cầu giao thông, từ đó có kế hoạch bảo trì, gia cố và nâng cao độ an toàn cho các công trình hạ lưu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải nghiên cứu cao trình cầu giao thông sau đập tràn?
    Dòng chảy xả lũ có năng lượng lớn gây dao động sóng và xói lở chân cầu, nếu cao trình cầu thấp hơn mực nước lũ sẽ bị ngập hoặc hư hỏng. Nghiên cứu giúp xác định cao trình phù hợp để bảo đảm an toàn và khai thác lâu dài.

  2. Chiều dài phóng xa dòng phun ảnh hưởng thế nào đến hồ xói?
    Chiều dài phóng xa càng lớn thì dòng chảy tác động sâu và rộng hơn đến nền đá hạ lưu, làm hồ xói sâu và rộng hơn. Việc tính toán chính xác chiều dài phóng xa giúp thiết kế hồ xói hiệu quả, giảm thiểu xói lở.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến chiều sâu hồ xói?
    Bao gồm lưu lượng đơn vị, cột nước chênh lệch thượng-hạ lưu, tính chất cơ lý của nền đá, chiều sâu nước đệm hạ lưu, thời gian xả lũ và góc hắt dòng phun. Mỗi yếu tố đều tác động đến mức độ xói lở và cần được xem xét trong thiết kế.

  4. Phương pháp thí nghiệm mô hình thủy lực có ưu điểm gì?
    Mô hình thủy lực tái hiện chính xác điều kiện thực tế, giúp đo đạc các thông số thủy lực, đánh giá tác động dòng chảy và hồ xói, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế và vận hành phù hợp, giảm thiểu rủi ro.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu tác động xấu của dòng phun đến công trình hạ lưu?
    Có thể bố trí hồ xói tiêu năng đúng kích thước, kiểm soát lưu lượng và thời gian xả lũ, gia cố công trình hạ lưu, và thiết kế cao trình cầu giao thông phù hợp nhằm giảm thiểu xói lở và sóng vỗ.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được các thông số thủy lực quan trọng như chiều dài phóng xa dòng phun (30-35 m), lưu tốc mũi phun (25-30 m/s) và chiều sâu hồ xói (3,5-4,2 m) cho công trình Hồ Sông Cái.
  • Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hồ xói và tác động đến cầu giao thông hạ lưu giúp đề xuất giải pháp thiết kế và vận hành hiệu quả.
  • Kết quả thí nghiệm mô hình thủy lực và tính toán lý thuyết có sự tương đồng cao, đảm bảo độ tin cậy cho các khuyến nghị kỹ thuật.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật gồm xác định cao trình cầu, bố trí hồ xói, kiểm soát lưu lượng xả lũ và gia cố công trình hạ lưu nhằm bảo đảm an toàn và bền vững.
  • Nghiên cứu là tài liệu tham khảo quan trọng cho các công trình thủy lợi, thủy điện và giao thông chịu ảnh hưởng của dòng chảy xả lũ, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong thiết kế và vận hành thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu theo dõi thực địa và cập nhật mô hình thủy lực cho các công trình tương tự. Quý độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn công trình thủy lợi, thủy điện và giao thông.