Tổng quan nghiên cứu

Hồ Ngàn Trươi, với dung tích khoảng 775,7 triệu m³ và diện tích lưu vực 408 km², được xây dựng trên sông Ngàn Trươi thuộc huyện Vũ Quang, tỉnh Hà Tĩnh, là công trình đầu mối cấp 2 do Ban Quản lý Đầu tư và Xây dựng Thủy lợi 4 làm chủ đầu tư. Trong quá trình vận hành, việc xả lũ từ hồ chuyển sang nhánh sông Khe Vang - Khe Trí, có diện tích lưu vực khoảng 40 km², đã gây ra nhiều vấn đề về chế độ thủy lực và biến hình lòng dẫn. Nhánh sông này có đặc điểm lòng dẫn hẹp (từ 30 đến 70 m) và uốn khúc liên tục, với lưu lượng xả lũ thiết kế lên đến 2.464 m³/s, tần suất thiết kế P=0,5%, và độ dốc lòng dẫn tự nhiên khoảng 4‰. Điều này dẫn đến nguy cơ xói lở cục bộ, biến đổi đột ngột về chế độ thủy lực tại các vị trí co hẹp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng thoát lũ và ổn định lòng dẫn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá chế độ thủy lực và biến hình lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ thiết kế, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm hạn chế sự biến đổi đột ngột của chế độ thủy lực, ổn định lòng dẫn và đảm bảo khả năng thoát lũ khi công trình đi vào vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên đoạn lòng dẫn Khe Trí từ hạ lưu tràn xả lũ đến ngã ba Hòa Duyệt, với dữ liệu địa hình chi tiết và các thông số thủy lực được thu thập từ các mô hình tính toán trước đó.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ an toàn công trình thủy lợi, giảm thiểu rủi ro thiên tai do xói lở và sạt lở lòng dẫn, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hồ chứa trong điều kiện biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế - xã hội vùng hạ lưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về chế độ thủy lực và biến hình lòng dẫn, bao gồm:

  • Lý thuyết tương tác dòng chảy và lòng dẫn: Mô tả sự tác động qua lại giữa dòng nước và lòng sông thông qua chuyển động bùn cát, là nhân tố trung tâm gây biến đổi hình thái lòng dẫn và ảnh hưởng đến ổn định dòng chảy.

  • Mô hình thủy lực Mike 11 HD: Sử dụng phương pháp sai phân ẩn Abbott để giải hệ phương trình Saint-Venant một chiều, mô phỏng dòng chảy trên mạng lưới sông phức tạp với các công trình thủy lợi như đập tràn, cống, trạm bơm.

  • Mô hình thủy lực Mike 21 FM HD và Mike Flood: Mô phỏng dòng chảy hai chiều dựa trên phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds, kết hợp với mô hình vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST để đánh giá biến đổi lòng dẫn do xói lở và bồi lắng.

  • Mô hình tính toán ổn định mái dốc (Geo-Slope): Áp dụng phương trình cân bằng lực và mô men để xác định hệ số ổn định trượt mái dốc, đánh giá nguy cơ sạt lở tại các vị trí co hẹp lòng dẫn.

Các khái niệm chính bao gồm: lưu lượng thiết kế, tần suất xả lũ, độ dốc lòng dẫn, vận tốc dòng chảy, vận tốc xói lở cho phép, biến hình lòng dẫn, và ổn định mái dốc.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu từ các dự án, báo cáo nghiên cứu trước đây, kết hợp với mô hình toán để mô phỏng thủy lực và biến hình lòng dẫn. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu địa hình chi tiết tỷ lệ 1/2000, 1/5000 và 1/10.000; số liệu lưu lượng, mực nước từ các trạm thủy văn; kết quả mô phỏng thủy lực từ các mô hình MIKE 11, MIKE 21 và MIKE Flood do các nghiên cứu trước cung cấp.

  • Phương pháp phân tích: Thiết lập mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 FM kết hợp mô hình vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST để mô phỏng dòng chảy và biến hình lòng dẫn trong điều kiện xả lũ thiết kế (lưu lượng 2.464 m³/s, tần suất 0,5%). Phân tích ổn định mái dốc bằng mô hình Geo-Slope để đánh giá nguy cơ sạt lở tại các vị trí co hẹp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Phạm vi nghiên cứu giới hạn trên đoạn lòng dẫn Khe Trí từ hạ lưu tràn xả lũ đến ngã ba Hòa Duyệt, tập trung vào 5 vị trí co hẹp được xác định qua khảo sát thực địa và mô hình hóa.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và tổng hợp dữ liệu trong giai đoạn đầu, thiết lập và hiệu chỉnh mô hình trong vòng 6 tháng, tiến hành mô phỏng và phân tích kết quả trong 4 tháng tiếp theo, cuối cùng đề xuất giải pháp và hoàn thiện luận văn trong 2 tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế độ thủy lực hiện trạng: Mô phỏng cho thấy tại 5 vị trí co hẹp trên lòng dẫn Khe Trí, vận tốc dòng chảy trung bình vượt mức cho phép, với vận tốc cực đại tại các vị trí này lên đến 3,5 m/s, cao hơn vận tốc xói lở cho phép khoảng 20-30%. Điều này làm tăng nguy cơ xói lở cục bộ và biến đổi hình thái lòng dẫn.

  2. Biến hình lòng dẫn: Kết quả mô phỏng biến hình lòng dẫn cho thấy sự thay đổi đáng kể về mặt cắt ngang và vị trí lòng sông tại các vị trí co hẹp, với mức độ sạt lở có thể lên đến 3 m chiều sâu tại một số đoạn, gây mất ổn định dòng chảy và giảm khả năng thoát lũ.

  3. Ổn định mái dốc: Phân tích bằng mô hình Geo-Slope xác định rằng tại các vị trí co hẹp, hệ số an toàn trượt mái dốc giảm xuống dưới 1,2 khi mực nước đạt cao trình +15,4 m, cho thấy nguy cơ sạt trượt cao, đặc biệt tại vị trí co hẹp số 5.

  4. So sánh các phương án mở rộng lòng dẫn: Các phương án mở rộng mặt cắt lòng dẫn (XC-02, XC-03, XC-05, XC-All) được mô phỏng cho thấy phương án XC-03 giúp giảm vận tốc dòng chảy tại các vị trí co hẹp khoảng 15-20%, đồng thời tăng hệ số ổn định mái dốc lên trên 1,3, đảm bảo an toàn thoát lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở và biến hình lòng dẫn là do lưu lượng xả lũ lớn vượt quá khả năng thoát lũ tự nhiên của lòng dẫn hẹp và uốn khúc liên tục. Vận tốc dòng chảy tăng cao tại các vị trí co hẹp làm tăng áp lực xói lở, đồng thời tạo ra các vùng đứt gãy và sạt trượt mái dốc.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng hiện tại phản ánh chính xác hơn tình hình thực tế do sử dụng dữ liệu địa hình cập nhật và mô hình hai chiều kết hợp vận chuyển trầm tích. Việc áp dụng mô hình Geo-Slope cũng giúp đánh giá chi tiết nguy cơ sạt lở, bổ sung cho các phân tích thủy lực.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vận tốc dòng chảy tại các vị trí co hẹp, bảng so sánh hệ số ổn định mái dốc giữa các phương án, và bản đồ biến hình lòng dẫn trước và sau khi xả lũ thiết kế, giúp minh họa rõ ràng tác động của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng mặt cắt lòng dẫn tại các vị trí co hẹp: Thực hiện phương án mở rộng lòng dẫn theo thiết kế XC-03 trong vòng 1-2 năm, nhằm giảm vận tốc dòng chảy và tăng khả năng thoát lũ, do Ban Quản lý Dự án phối hợp với các đơn vị thi công thực hiện.

  2. Xoay trụ cầu Khe Trí: Điều chỉnh hướng trụ cầu theo kết quả nghiên cứu mô hình vật lý để giảm cản dòng chảy, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng, do Sở Giao thông Vận tải và đơn vị thiết kế cầu phối hợp thực hiện.

  3. Gia cố mái dốc và bờ sông: Áp dụng các biện pháp gia cố bằng kè mái, kè mỏ hàn và kè hoàn lưu tại các vị trí có nguy cơ sạt lở cao, nhằm tăng hệ số ổn định mái dốc, thực hiện trong vòng 1 năm, do Ban Quản lý Đầu tư và các đơn vị thi công đảm nhiệm.

  4. Theo dõi và đánh giá liên tục: Thiết lập hệ thống quan trắc thủy lực và biến hình lòng dẫn định kỳ hàng năm để phát hiện sớm các biến đổi bất thường, từ đó điều chỉnh các giải pháp kịp thời, do Trung tâm Nghiên cứu Phòng tránh và Giảm nhẹ thiên tai phối hợp với địa phương thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và vận hành công trình thủy lợi: Nhận được các giải pháp kỹ thuật cụ thể để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hồ chứa, đặc biệt trong điều kiện xả lũ lớn.

  2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy lực: Có cơ sở dữ liệu và mô hình mô phỏng chi tiết để phát triển nghiên cứu sâu hơn về biến hình lòng dẫn và ổn định dòng chảy.

  3. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý lưu vực, phòng ngừa rủi ro thiên tai do xói lở và sạt lở lòng dẫn.

  4. Các đơn vị thiết kế và thi công công trình thủy lợi: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật được đề xuất để thiết kế và thi công các công trình chỉnh trị lòng dẫn phù hợp với điều kiện thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải nghiên cứu chế độ thủy lực và biến hình lòng dẫn khi xả lũ?
    Chế độ thủy lực và biến hình lòng dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thoát lũ và an toàn công trình. Nghiên cứu giúp dự báo biến đổi, từ đó đề xuất giải pháp hạn chế xói lở và sạt lở, đảm bảo vận hành an toàn.

  2. Phương pháp mô hình nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 HD, mô hình hai chiều MIKE 21 FM HD kết hợp mô hình vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST, cùng mô hình ổn định mái dốc Geo-Slope để đánh giá toàn diện.

  3. Các vị trí co hẹp trên lòng dẫn Khe Trí có ảnh hưởng như thế nào?
    Các vị trí co hẹp làm tăng vận tốc dòng chảy vượt mức cho phép, gây xói lở cục bộ, biến đổi hình thái lòng dẫn và giảm khả năng thoát lũ, đồng thời làm tăng nguy cơ sạt lở mái dốc.

  4. Giải pháp mở rộng lòng dẫn có hiệu quả ra sao?
    Phương án mở rộng lòng dẫn XC-03 giúp giảm vận tốc dòng chảy tại các vị trí co hẹp khoảng 15-20%, tăng hệ số ổn định mái dốc trên 1,3, đảm bảo an toàn thoát lũ và giảm thiểu xói lở.

  5. Làm thế nào để theo dõi biến đổi lòng dẫn sau khi công trình đi vào vận hành?
    Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ về mực nước, vận tốc dòng chảy và biến hình lòng dẫn, kết hợp phân tích mô hình để phát hiện sớm các biến đổi bất thường, từ đó điều chỉnh giải pháp kịp thời.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá chi tiết chế độ thủy lực và biến hình lòng dẫn Khe Trí khi xả lũ thiết kế với lưu lượng 2.464 m³/s, tần suất 0,5%.
  • Phát hiện các vị trí co hẹp là nguyên nhân chính gây xói lở và biến đổi lòng dẫn, làm giảm khả năng thoát lũ và tăng nguy cơ sạt lở mái dốc.
  • Đã mô phỏng và so sánh các phương án mở rộng lòng dẫn, đề xuất phương án XC-03 là tối ưu nhất về mặt kỹ thuật và an toàn.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể bao gồm mở rộng lòng dẫn, xoay trụ cầu, gia cố mái dốc và hệ thống quan trắc liên tục.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc quản lý, vận hành hồ chứa và phòng chống thiên tai vùng hạ lưu.

Tiếp theo, cần triển khai thực hiện các giải pháp đề xuất, đồng thời thiết lập hệ thống quan trắc để theo dõi hiệu quả và điều chỉnh kịp thời nhằm đảm bảo an toàn và bền vững cho công trình và vùng hạ lưu. Đề nghị các cơ quan liên quan phối hợp chặt chẽ để đưa nghiên cứu vào thực tiễn.