Tổng quan luận án
Tính cấp thiết của đề tài
Theo số liệu thống kê của Tổng cục Thủy lợi năm 2015, Việt Nam hiện có 6.886 hồ chứa thủy lợi và thủy điện, trong đó hồ chứa thủy điện là 238 hồ (chiếm 3,5%) và hồ chứa thủy lợi là 6.648 hồ (chiếm 96,5%). Hơn 90% số đập tạo hồ thủy lợi ở nước ta là đập đất. Phần lớn các đập đất này được thiết kế và thi công trong khoảng 30 đến 40 năm trước với tiêu chuẩn thiết kế lũ thấp. Dưới tác động của biến đổi khí hậu và sự thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực, tần suất xuất hiện mưa lớn cực đoan gia tăng, dẫn đến nguy cơ nước tràn qua đỉnh đập rất cao.
Thống kê trong công trình nghiên cứu tiêu chí đánh giá an toàn đập đất của tác giả Phạm Ngọc Quý chỉ ra rằng, trong tổng số các vụ vỡ đập đất tại Việt Nam, sự cố do mực nước lũ vượt thiết kế tràn qua đỉnh đập chiếm tới 59%. Điển hình là các sự cố: vỡ đập Phân Lân (Vĩnh Phúc, ngày 03/8/2013), vỡ đập Đồng Đáng và Thung Cối (Thanh Hóa, ngày 01/10/2013), vỡ đập phụ số 2 hồ Đầm Hà Động (Quảng Ninh, ngày 31/10/2014), cùng các sự cố vỡ đập Cố Châu (Hà Tĩnh) và vỡ đê bao sông Cầu Chày (Thanh Hóa) trong đợt mưa lũ tháng 10 năm 2017. Một số công trình bị nước tràn đỉnh nhưng chưa vỡ hoàn toàn mà chỉ bị xói lở một phần thân đập như đập Ea Đrăng (Đắk Lắk, tháng 9/2013), đập chính Đầm Hà Động (Quảng Ninh, tháng 10/2014) và đập Gà (Nghệ An, tháng 10/2017). Bên cạnh đó, đối với các công trình đập tràn sự cố kiểu đập đất tự vỡ (đập cầu chì), việc dự đoán chính xác khả năng tự vỡ khi nước tràn đỉnh có ý nghĩa quyết định đến an toàn chung của cụm công trình đầu mối.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Xây dựng công thức thực nghiệm tính tốc độ xói của đất dưới tác dụng của dòng chảy cho một số loại đất thường dùng để đắp đập ở Việt Nam, làm dữ liệu đầu vào cho chương trình mô phỏng vỡ đập đất EMBANK.
- Giải thích cơ chế vỡ đập và xây dựng các biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ của đập ($T_v$) khi nước tràn đỉnh cho một số loại đất đắp đập với các cột nước tràn khác nhau, nhằm phục vụ công tác cảnh báo nguy cơ vỡ đập cho vùng hạ du.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng nước tràn đỉnh của các đập đất trong điều kiện Việt Nam.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Loại đất đắp đập: Các loại đất có tính dính khác nhau, từ đất ít dính (lực dính đơn vị $C = 0,16 \div 0,19\text{ kG/cm}^2$) đến đất có tính dính lớn ($C = 0,24 \div 0,30\text{ kG/cm}^2$).
- Chiều cao đập phổ biến ở Việt Nam: $H_đ = 5 \div 30\text{ m}$.
- Cột nước tràn trên đỉnh đập: $H_t = 0,2 \div 1,4\text{ m}$.
- Phạm vi bài toán: Bài toán phẳng hai chiều, nghiên cứu quá trình vỡ đập theo phương đứng, không xét quá trình mở rộng vết vỡ theo phương ngang.
- Giai đoạn nghiên cứu: Tập trung vào giai đoạn xói bề mặt cho đến khi đập bắt đầu bị vỡ (giai đoạn đầu của quá trình vỡ đập).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Theo thống kê của Hội Đập lớn thế giới (ICOLD) đối với 58.519 đập, đập vật liệu địa phương chiếm 76% (trong đó 63% là đập đất). Các hư hỏng xuất hiện ở đập vật liệu địa phương chiếm tỷ lệ áp đảo (chiếm 90% các vụ sự cố đập tại Trung Quốc từ 1954 đến 2006 theo ghi nhận của các cơ quan quản lý, và 65% trong tổng số hơn 900 sự cố đập trên thế giới). Các vụ vỡ đập do tràn đỉnh điển hình trên thế giới gồm: đập Tous (Tây Ban Nha, 1982, đập đất lõi sét cao 70m, tràn đỉnh 1,1m làm 8 người chết), đập Belci (Romania, 1991, cao 18,5m, vỡ đoạn đập dài 112m làm 25 người chết), đập Delhi (bang Iowa, Hoa Kỳ, 2010, đập cao 12m), và thảm họa vỡ hệ thống hồ chứa Bản Kiều và Thạch Mạn Than (Trung Quốc, 1975).
Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trên thế giới đã phân tích cơ chế xói và vỡ đập qua nhiều cách tiếp cận:
- J. Briaud và các cộng sự (2007) phân tích lực tác dụng lên hạt đất dính và hạt đất rời, chỉ ra 3 cơ chế xói cơ bản của đất hạt rời gồm trượt ($\tau_c A_e > W \tan\phi$), quay ($\tau_c A_e a > W b$) và nhấc hạt ($u_b - u_t > 0$).
- Ralston (1987), Fread (1988), Zhu (2006) và Powledge cùng đồng nghiệp (1989b) mô tả cơ chế hình thành hố xói (knickpoint) từ chân đập phát triển ngược lên đỉnh đập đối với đất dính.
- P. Bhattarai và các cộng sự (2014) thực hiện 12 thí nghiệm trên 4 loại đất để đánh giá ảnh hưởng của đường kính hạt trung bình $d_{50}$ đến tốc độ mở rộng vết vỡ.
- Coleman và các cộng sự (2002) nghiên cứu đập đất đồng chất ít dính, đề xuất dạng vết vỡ hình parabol xoay quanh điểm cố định tại chân đập.
- Pickert và các cộng sự (2011) chia quá trình vỡ của đập đất ít dính thành hai giai đoạn cắt và kéo.
- Hanson và các cộng sự (2005) cùng Hunt và các cộng sự (2005) phân chia quá trình vỡ đập đất dính thành 4 giai đoạn: xói mái hạ lưu tạo hố xói cục bộ, mở rộng hố xói, hạ thấp đỉnh đập, và mở rộng vết vỡ sang hai bên thành.
- Fujisawa Azunori và các cộng sự (2007, 2008, 2009) nghiên cứu cơ chế di chuyển của điểm Froude giới hạn trên đập đất ít dính, đồng thời phát triển phương pháp thí nghiệm xói mẫu đất trên máng thủy lực để khảo sát ảnh hưởng của năng lượng đầm nện ($140\text{ kJ/m}^3$ và $270\text{ kJ/m}^3$) và trọng lượng riêng đến tốc độ xói.
- Y. Chen và các cộng sự (1987) thuộc Đại học Bang Colorado (Hoa Kỳ) đã thí nghiệm mô hình đập đất tỷ lệ 1:1, đánh giá ảnh hưởng của các giải pháp bảo vệ mái hạ lưu (đá đổ khung thép, thảm rọ đá, cỏ trồng, xi măng đất) và xây dựng phần mềm EMBANK.
Về mô hình toán, các công cụ mô phỏng phát triển theo ba hướng:
- Dự đoán trực tiếp dòng chảy lũ sau vỡ đập (DAMBRK, FLDWAV, SMPDBK, HEC-RAS).
- Tham số hóa kích thước và thời gian hình thành lỗ vỡ dựa trên công thức kinh nghiệm của MacDonald & Langridge-Monopolis (1984) hoặc Froehlich (1995b) tích hợp trong MIKE 11, HEC-RAS.
- Mô hình tích hợp quá trình xói vật liệu với tính toán thủy lực dòng chảy: Mô hình BREACH của Fread (1988), mô hình WinDAM B kết hợp SITES của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA/ARL), và mô hình EMBANK của Chen và các cộng sự (1987).
Các nghiên cứu tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các nghiên cứu vỡ đập chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng lan truyền sóng lũ và lập bản đồ ngập lụt hạ du cho các hồ chứa lớn:
- Lê Trần Chương giải hệ phương trình Saint-Venant bằng phương pháp đường đặc trưng qua phần mềm VODASL tính toán vỡ đập thủy điện Sơn La.
- Nguyễn Hữu An và cộng sự (1998) ứng dụng phần mềm HEC-1 mô phỏng bài toán vỡ đập.
- Trần Thục và cộng sự, Trần Đình Hợi và cộng sự (2004) sử dụng kết hợp FLDWAV và DHM tính toán vỡ đập bậc thang sông Đà và ngập lụt đồng bằng sông Hồng – Thái Bình.
- Nguyễn Văn Hạnh và cộng sự (2004, dự án DANIDA) và Lê Mạnh Hùng (2004) sử dụng MIKE 11 và MIKE 11 GIS mô phỏng vỡ đập trên lưu vực sông Hồng và sông Hương.
- Về thí nghiệm mô hình vật lý: Viện Năng lượng nghiên cứu cơ chế xói vỡ tràn sự cố kiểu tự vỡ của thủy điện Sông Hinh và Trung Sơn; Ngô Trí Viềng nghiên cứu khả năng kháng xói của đê biển có thảm cỏ chịu sóng tràn gián đoạn; Lê Văn Nghị nghiên cứu mô hình vật lý tràn đỉnh đập đá đổ lõi đất công trình thủy điện Hòa Bình.
Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết
Các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu giả thiết hình dạng lỗ vỡ hoặc ứng dụng cho đập đá đổ, đê biển chịu sóng tràn gián đoạn và tràn sự cố tự vỡ. Chưa có nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu xác định quy luật và công thức tính tốc độ xói cho các loại đất đắp đập điển hình tại Việt Nam dưới tác dụng của dòng chảy tràn liên tục. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp phương pháp thí nghiệm xói mẫu đất trên máng thủy lực kiểu Fujisawa với mô hình toán thủy lực EMBANK nhằm mô phỏng chính xác giai đoạn đầu của quá trình xói và vỡ đập đất.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Các khái niệm và định nghĩa cơ bản
- Vỡ đập do tràn đỉnh: Hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập, cuốn trôi vật liệu đất và làm cho cao trình đỉnh đập bị hạ thấp hơn so với ban đầu, hình thành lỗ vỡ liên thông từ thượng lưu về hạ lưu.
- Tốc độ xói ($E$): Đại lượng đặc trưng cho khả năng xói của đất, biểu thị bằng thể tích hoặc khối lượng đất bị cuốn trôi khỏi vị trí ban đầu trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian ($\text{m}^3/\text{s}/\text{m}^2$ hoặc $\text{m/s}$).
- Ứng suất cắt tới hạn ($\tau_c$): Ứng suất cắt của dòng chảy tác dụng lên bề mặt đất tại thời điểm đất bắt đầu bị xói. Theo định nghĩa thực hành của Briaud và các cộng sự (2007), đây là giá trị ứng suất cắt tương ứng với tốc độ xói $1\text{ mm/giờ}$ trong hàm xói.
- Thời gian bắt đầu vỡ đập ($T_v$): Khoảng thời gian tính từ khi nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập cho đến khi vết xói ở mái hạ lưu phát triển chạm tới mép thượng lưu của đỉnh đập, làm đỉnh đập bắt đầu bị hạ thấp.
Các công thức tính tốc độ xói đất trong tài liệu
Luận án tổng hợp các công thức tính toán tốc độ xói của các tác giả trên thế giới:
| TT |
Tác giả |
Công thức toán học |
Ký hiệu và tham số |
| 1 |
Wiggert & Contractor [39] |
$E_s = \alpha v^\beta$ |
$E_s$: Tốc độ xói ($\text{tấn/ngày/m}$); $v$: Vận tốc dòng chảy trên mái hạ lưu ($\text{m/s}$); $\alpha = 0,25$, $\beta = 3,8$. |
| 2 |
Cristofano [40] |
$Q_s = K e^{-x} Q_w$ |
$Q_s$: Tốc độ xói; $Q_w$: Lưu lượng dòng tràn; $x = \frac{b}{H} \tan\phi$; $b$: Chiều rộng đáy vết vỡ; $H$: Chiều cao cột nước tràn; $\phi$: Góc ma sát trong; $K$: Hệ số thực nghiệm. |
| 3 |
Ariathurai & Arulanandan [41] |
$E = M \left(\frac{\tau}{\tau_c} - 1\right)$ |
$E$: Tốc độ xói; $M$: Hệ số tốc độ xói ($0,00012 \div 0,0012\text{ lb/ft}^2/\text{s}$); $\tau$: Ứng suất cắt do dòng chảy; $\tau_c$: Ứng suất cắt tới hạn. |
| 4 |
Nhóm ARL / USDA [25] |
$E = K_đ (\tau - \tau_c)^\alpha$ |
$E$: Tốc độ xói; $K_đ$: Hệ số xói; $\tau$: Ứng suất cắt đáy; $\tau_c$: Ứng suất cắt tới hạn; $\alpha$: Số mũ thực nghiệm. Các tham số phụ thuộc vào tính chất đất xác định qua thí nghiệm. |
Các phương pháp nghiên cứu của luận án
- Phương pháp kế thừa: Tổng hợp cơ sở lý thuyết xói thủy lực, các mô hình xói ống (HET), xói tia (JET), thí nghiệm máng hở và mô hình toán EMBANK.
- Phương pháp thực nghiệm:
- Thí nghiệm mô hình vật lý đập đất thu nhỏ chịu nước tràn đỉnh để quan sát diễn biến xói và hạ thấp đỉnh đập.
- Thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất trên máng dốc thủy lực ngoài trời theo nguyên lý máng kính Fujisawa tại Trường Đại học Thủy lợi, đo trực tiếp $\tau_c$ và tốc độ xói $E$ của 3 nhóm đất A, B, C.
- Phương pháp mô hình toán: Ứng dụng phần mềm EMBANK tích hợp các phương trình thủy lực dòng mặt và các thông số xói ($K_đ, \tau_c, \alpha$) tìm được từ thực nghiệm để mô phỏng diễn biến hạ thấp thân đập theo thời gian.
- Phương pháp chuyên gia: Thu thập ý kiến tư vấn từ các nhà khoa học, chuyên gia quản lý và thiết kế công trình thủy lợi qua các hội thảo khoa học.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI ĐẬP ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
Chương 1 hệ thống hóa bức tranh toàn diện về an toàn đập vật liệu địa phương trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích chi tiết nguyên nhân, diễn biến và hậu quả của các sự cố vỡ đập điển hình do tràn đỉnh ở trong nước (đập Phân Lân, Đồng Đáng, Khe Luồng, Đầm Hà Động) và quốc tế (đập Tous, Belci, Delhi, Bản Kiều).
Chương này đi sâu vào cơ chế cơ học tiếp xúc hạt: đối với đất dính, liên kết giữa các hạt được chi phối bởi lực hút phân tử, lực điện tích và áp lực nước lỗ rỗng, do đó xói diễn ra qua hai hình thức là bào mòn từng lớp hạt hoặc bóc tách từng mảng khối nứt nẻ; đối với đất rời, xói hình thành do sự mất cân bằng lực cắt, mômen lật hoặc chênh lệch áp suất nâng thẳng đứng. Tác giả phân tích ưu và nhược điểm của các phần mềm mô phỏng hiện hành (DAMBRK, HEC-RAS, MIKE 11, BREACH, WinDAM B, EMBANK) và xác định mô hình toán EMBANK là công cụ phù hợp nhất để tích hợp với các kết quả đo đạc xói mẫu đất nhằm mô phỏng bài toán vỡ đập tại Việt Nam.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ TỐC ĐỘ XÓI ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
Chương 2 trình bày khung lý thuyết thủy lực dòng chảy tràn trên mái dốc hạ lưu và tương tác động lực học giữa dòng chảy và bề mặt đất. Tác giả phân tích cơ sở toán học của các công thức xói kinh nghiệm (Wiggert & Contractor, Cristofano, Ariathurai & Arulanandan, ARL).
Chương này phân tích nguyên lý và quy trình của các phương pháp thực nghiệm đo độ xói đất:
- Phương pháp thí nghiệm xói ống (Hole Erosion Test - HET) của Wan & Fell (2004).
- Phương pháp thí nghiệm xói tia (Jet Erosion Test - JET) của Hanson (2004).
- Phương pháp thí nghiệm mẫu đất trên máng hở đáy dốc của Fujisawa (2008), phân tích mối liên hệ tuyến tính giữa tốc độ xói $E$ và ứng suất cắt hiệu dụng $(\tau - \tau_c)$, ảnh hưởng của độ chặt và trọng lượng riêng đến độ bền chống xói.
- Cấu trúc thuật toán và sơ đồ khối tính toán của mô hình toán thủy lực EMBANK, phân tích khả năng cập nhật biến đổi hình học mặt cắt đập theo từng bước thời gian $\Delta t$.
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH TOÁN XÁC ĐỊNH THỜI GIAN VỠ CỦA ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
Chương 3 là nội dung thực nghiệm trọng tâm của luận án:
- Phân loại và chuẩn bị đất thí nghiệm: Luận án khảo sát các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp đập tại Việt Nam và lựa chọn 3 loại đất đại diện:
- Đất A: Đất ít dính ($C = 0,16 \div 0,19\text{ kG/cm}^2$).
- Đất B: Đất có tính dính trung bình.
- Đất C: Đất có tính dính cao ($C = 0,24 \div 0,30\text{ kG/cm}^2$).
- Thí nghiệm mô hình đập đất chịu tràn đỉnh: Tiến hành các trường hợp thí nghiệm với cột nước tràn $H_t = 7\text{ cm}, 10\text{ cm}, 15\text{ cm}, 18\text{ cm}$ để quan sát trực tiếp diễn biến xói bề mặt, sự hình thành các rãnh xói/hố xói và quá trình ăn mòn ngược từ chân đập lên đỉnh đập theo từng phút.
- Thí nghiệm xác định $\tau_c$ và tốc độ xói $E$ trên máng dốc: Chế tạo hệ thống thiết bị thí nghiệm máng xói ngoài trời tại Trường Đại học Thủy lợi. Đo đạc vận tốc dòng chảy, độ sâu xói và thời gian để xác định ứng suất cắt tới hạn $\tau_c$ cùng bộ thông số $(K_đ, \alpha)$ cho 3 loại đất A, B, C theo phương trình dạng $E = K_đ(\tau - \tau_c)^\alpha$.
- Mô phỏng toán học và xây dựng biểu đồ $T_v$: Đưa các thông số thực nghiệm vào mô hình EMBANK, chạy mô phỏng cho các trường hợp chiều cao đập $H_đ = 5\text{ m}, 10\text{ m}, 15\text{ m}, 20\text{ m}$, góc dốc mái hạ lưu và các cột nước tràn đỉnh khác nhau. Xây dựng tập hợp các đường đồ thị xác định thời gian bắt đầu vỡ đập ($T_v$) phục vụ tính toán nhanh trong thực tế.
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VỠ CỦA ĐẬP ĐẦM HÀ ĐỘNG – QUẢNG NINH KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
Chương 4 kiểm chứng phương pháp và mô hình thông qua sự cố thực tế tại hồ chứa nước Đầm Hà Động (huyện Đầm Hà, tỉnh Quảng Ninh) xảy ra ngày 30 - 31/10/2014:
- Diễn biến sự cố: Mưa lũ đặc biệt lớn làm mực nước hồ vượt đỉnh đập, tràn qua đập chính từ $1,0 \div 1,5\text{ m}$ gây xói lở sâu $4 \div 5\text{ m}$ và bóc trôi khoảng $300\text{ m}^3$ đất đá mái hạ lưu đập chính; đồng thời dòng tràn làm vỡ hoàn toàn một đoạn dài $50\text{ m}$ trên đập phụ số 2.
- Tính toán mô phỏng bằng EMBANK: Thiết lập các thông số mặt cắt đập chính và đập phụ số 2, đường quá trình mực nước hồ và các chỉ tiêu cơ lý của đất đắp.
- Kết quả so sánh: Tại thời điểm $t = 1,2\text{ giờ}$ sau khi nước tràn đỉnh, mô hình EMBANK tái hiện quá trình xói sâu trên đập chính và quá trình hạ thấp dẫn đến vỡ đập phụ số 2. Kết quả tính toán độ sâu xói trên mái đập chính và hình dạng mặt cắt sau vỡ của đập phụ số 2 cho thấy sự tương đồng cao với số liệu khảo sát mặt cắt thực tế sau sự cố.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về mặt khoa học
- Lần đầu tiên tại Việt Nam, tác giả đã chế tạo và thực hiện thành công hệ thống thí nghiệm xói mẫu đất trên máng thủy lực dốc theo nguyên lý máng kính Fujisawa ngoài trời.
- Xác định được các giá trị ứng suất cắt tới hạn ($\tau_c$) và thiết lập công thức thực nghiệm tính tốc độ xói $E = K_đ(\tau - \tau_c)^\alpha$ cho 3 nhóm đất đắp đập điển hình ở Việt Nam (từ ít dính đến dính cao).
- Làm rõ cơ chế động lực học của quá trình xói bề mặt và cơ chế vỡ đập đất do nước tràn đỉnh trong giai đoạn đầu; tích hợp thành công bộ tham số thực nghiệm đất Việt Nam vào mô hình tính toán xói EMBANK.
Đóng góp về mặt thực tiễn
- Xây dựng bộ biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ đập ($T_v$) ứng với các cấp chiều cao đập ($H_đ = 5\text{ m}, 10\text{ m}, 15\text{ m}, 20\text{ m}$), độ dốc mái hạ lưu và các cột nước tràn đỉnh ($H_t = 0,2 \div 1,4\text{ m}$). Bộ đồ thị này là công cụ trực quan giúp các cơ quan quản lý đập dự báo thời gian dự phòng ứng phó và ban hành cảnh báo ngập lụt sớm cho vùng hạ du.
- Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán phục vụ thiết kế, kiểm tra khả năng tự phá vỡ đúng thời điểm của các đập tràn sự cố kiểu đập đất tự vỡ (đập cầu chì) trong các cụm công trình đầu mối thủy lợi - thủy điện.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Các hạn chế
- Luận án chỉ giới hạn phạm vi bài toán phẳng hai chiều theo phương đứng, chưa xét đến cơ chế xói sạt thành bên và sự mở rộng vết vỡ theo phương ngang (giai đoạn 4 của quá trình vỡ đập).
- Phạm vi nghiên cứu mới tập trung vào giai đoạn xói bề mặt đến khi bắt đầu hình thành lỗ vỡ thông suốt ($T_v$), chưa mô phỏng toàn bộ giai đoạn tháo cạn hồ sau khi vỡ đập hoàn toàn.
- Giới hạn thí nghiệm trên 3 nhóm đất đắp đập có lực dính $C$ từ $0,16$ đến $0,30\text{ kG/cm}^2$ và chiều cao đập từ $5$ đến $30\text{ m}$.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng nghiên cứu bài toán không gian 3 chiều, mô phỏng cơ chế mở rộng vết vỡ sang hai bên vai đập dưới tác động sạt trượt mái dốc do mất ổn định khối đất.
- Nghiên cứu bổ sung ảnh hưởng của các lớp gia cố bảo vệ mái hạ lưu (thảm cỏ tự nhiên, rọ đá, bê tông tự chèn, đá lát) đến sự thay đổi của ứng suất cắt tới hạn $\tau_c$ và tốc độ xói của đập đất tại Việt Nam.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo cao cho nhiều đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Công trình thủy, Thủy lực - Địa kỹ thuật: Cung cấp phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm máng xói, lý thuyết tương tác dòng chảy mặt với đất dính, và phương pháp ứng dụng phần mềm EMBANK.
- Các kỹ sư thiết kế và tư vấn xây dựng thủy lợi: Tham khảo các công thức thực nghiệm tính toán tốc độ xói, thông số ứng suất cắt tới hạn của đất đắp và quy trình tính toán kích thước, cơ chế tự vỡ cho đập tràn sự cố kiểu tự vỡ.
- Cơ quan quản lý an toàn đập và Ban chỉ huy Phòng chống thiên tai: Sử dụng tập hợp biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ đập ($T_v$) để xây dựng phương án ứng phó khẩn cấp và thiết lập kịch bản sơ tán dân cư vùng hạ du khi hồ chứa xảy ra sự cố tràn đỉnh đập.
Câu hỏi thường gặp
1. Thời gian bắt đầu vỡ đập ($T_v$) được định nghĩa chính xác như thế nào trong luận án?
$T_v$ là khoảng thời gian tính từ thời điểm mực nước hồ bắt đầu dâng vượt qua cao trình đỉnh đập và tràn qua mái hạ lưu cho đến khi vết xói ở mái hạ lưu phát triển, bào mòn ngược tiến sát tới mép thượng lưu của đỉnh đập, làm cho cao trình đỉnh đập tại vị trí đó bị hạ thấp và hình thành lỗ vỡ liên thông từ thượng lưu về hạ lưu.
2. Ba cơ chế xói cơ bản của đất hạt rời dưới tác dụng của dòng chảy mặt là gì?
Theo lý thuyết của J. Briaud (2007) được luận án trình bày:
- Cơ chế trượt: Xảy ra khi lực cắt do dòng chảy vượt quá lực ma sát giữa các hạt đất ($\tau_c A_e > W \tan\phi$).
- Cơ chế quay (lật): Xảy ra khi mômen do lực cắt dòng chảy lớn hơn mômen giữ của trọng lượng hạt đất quanh điểm tiếp xúc ($\tau_c A_e a > W b$).
- Cơ chế nhấc hạt: Xảy ra khi có sự chênh lệch áp suất thủy động giữa mặt dưới và mặt trên của hạt đất ($u_b - u_t > 0$).
3. Tại sao tác giả lựa chọn phần mềm EMBANK thay vì mô hình BREACH hay MIKE 11?
Phần mềm EMBANK (phát triển bởi Chen và cộng sự, 1987) tính toán xói dựa trên bản chất vật lý tương tác dòng chảy và đất đắp thông qua các thông số thực nghiệm ($K_đ, \tau_c, \alpha$). EMBANK khắc phục được nhược điểm của mô hình BREACH nhờ kể đến ảnh hưởng của mực nước hạ lưu và sự biến đổi mực nước thượng lưu; đồng thời khắc phục nhược điểm của MIKE 11 vốn phải giả thiết trước kích thước hình học và thời gian mở rộng lỗ vỡ theo các công thức kinh nghiệm.
4. Kết quả mô phỏng sự cố đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh) năm 2014 cho thấy điều gì?
Kết quả mô phỏng bằng EMBANK tại thời điểm $t = 1,2\text{ giờ}$ sau khi nước tràn đỉnh đã tái hiện chính xác diễn biến thực tế: đập chính bị xói sâu nhiều vị trí trên mái hạ lưu nhưng chưa bị vỡ hoàn toàn do thân đập rộng và khối lượng xói chưa cắt đứt đỉnh đập; trong khi đập phụ số 2 bị hạ thấp nhanh và vỡ hoàn toàn với đoạn vỡ rộng khoảng $50\text{ m}$.
Kết luận
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Phạm Thị Hương (năm 2018) đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định cơ chế xói và thời gian bắt đầu vỡ của đập đất khi chịu dòng nước tràn đỉnh trong điều kiện Việt Nam. Bằng việc kết hợp sáng tạo giữa thí nghiệm máng xói hở ngoài trời kiểu Fujisawa để xác định bộ thông số kháng xói của đất và mô hình toán EMBANK, công trình đã xây dựng thành công bộ biểu đồ tra cứu thời gian bắt đầu vỡ đập ($T_v$) trực quan. Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng qua sự cố thực tế hồ Đầm Hà Động, đóng góp nguồn tài liệu khoa học và thực tiễn quan trọng cho công tác quản lý an toàn hồ đập và cảnh báo thiên tai ngập lụt hạ du.
