Nghiên Cứu Cơ Chế Xói Mặt Đập Đất Khi Nước Tràn Đỉnh

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất khi nước tràn, cung cấp kiến thức quan trọng cho thiết kế và bảo trì công trình thủy lợi.

• Tác giả: Phạm Thị Hương
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Cảnh Thái
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Cơ Chế Xói Mặt Đập Đất Khi Nước Tràn Đỉnh
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI ĐẬP ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
• 1.1. Tổng quan về an toàn của đập vật liệu địa phương khi nước tràn đỉnh
• 1.1.1. Tổng quan chung
• 1.1.2. Một số ví dụ điển hình về sự cố vỡ đập do tràn đỉnh
• 1.2. Tổng quan về cơ chế xói và vỡ đập
• 1.2.1. Cơ chế vỡ đập đất
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu cơ chế vỡ đập
• 1.2.2.1. Nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.2.2. Nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.3. Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ TỐC ĐỘ XÓI ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
• 2.1. Các khái niệm cơ bản
• 2.2. Các công thức tính tốc độ xói
• 2.3. Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng suất cắt tới hạn và tốc độ xói của đất
• 2.3.1. Phương pháp thí nghiệm xói HET [27]
• 2.3.2. Phương pháp thí nghiệm xói JET [27]
• 2.3.3. Thí nghiệm xói mẫu đất trên máng thủy lực [28]
• 2.3.4. Mô hình toán EMBANK
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH TOÁN XÁC ĐỊNH THỜI GIAN VỠ CỦA ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
• 3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc mái hạ lưu đến thời gian bắt đầu vỡ đập
• 3.2. Phân loại đất theo khả năng chống cắt
• 3.3. Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế vỡ của đập đất khi nước tràn đỉnh
• 3.3.1. Xây dựng mô hình
• 3.3.2. Phân tích kết quả
• 3.4. Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng công thức tính tốc độ xói của đất
• 3.4.1. Chế tạo thiết bị thí nghiệm
• 3.4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
• 3.4.3. Tiến hành thí nghiệm
• 3.4.4. Xây dựng công thức thực nghiệm
• 3.4.5. Xây dựng biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ của đập (Tv) khi nước tràn đỉnh
• 3.5. Xây dựng đồ thị
• 3.6. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VỠ CỦA ĐẬP ĐẦM HÀ ĐỘNG – QUẢNG NINH KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH
• 4.1. Giới thiệu công trình
• 4.2. Sự cố xói mái đập chính và vỡ đập phụ số 2 mùa lũ năm 2014
• 4.2.1. Nguyên nhân sự cố
• 4.2.2. Thời điểm, diễn biến lũ gây sự cố công trình
• 4.2.3. Hiện trạng công trình sau lũ
• 4.3. Tính toán xói và mô phỏng quá trình vỡ đập
• 4.3.1. Mặt cắt tính toán
• 4.3.2. Mực nước tính toán
• 4.3.3. Kết quả tính toán xói và vỡ đập
• 4.4. Kết luận chương 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất khi nước tràn đỉnh

Nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất khi nước tràn đỉnh là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật xây dựng công trình thủy. Đập đất là loại công trình phổ biến tại Việt Nam, chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số đập hiện có. Việc hiểu rõ cơ chế xói mòn và vỡ đập giúp nâng cao an toàn cho các công trình này. Nghiên cứu này không chỉ giúp dự đoán khả năng vỡ đập mà còn cung cấp các giải pháp kỹ thuật để bảo vệ đập khỏi các tác động xói mòn do nước.

1.1. Tình hình nghiên cứu xói mặt đập đất hiện nay

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để hiểu rõ hơn về cơ chế xói mặt đập đất. Các nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn, như lưu lượng nước, độ dốc mái đập và loại đất. Những kết quả này cung cấp cơ sở cho việc phát triển các phương pháp bảo vệ đập hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu cơ chế xói mòn

Nghiên cứu cơ chế xói mòn không chỉ giúp dự đoán khả năng vỡ đập mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế và thi công các công trình thủy lợi. Việc hiểu rõ cơ chế này giúp các kỹ sư đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại do sự cố vỡ đập.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu xói mặt đập đất

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về xói mặt đập đất, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, sự thay đổi trong điều kiện môi trường và sự xuống cấp của các công trình đập đang đặt ra nhiều vấn đề nghiêm trọng. Việc xác định chính xác các yếu tố này là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho các công trình thủy lợi.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến xói mặt đập

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình xói mặt đập, bao gồm lưu lượng nước, độ dốc mái đập và loại đất. Việc nghiên cứu các yếu tố này giúp xác định được nguyên nhân gây ra xói mòn và từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.

2.2. Thách thức trong việc dự đoán khả năng vỡ đập

Dự đoán khả năng vỡ đập là một thách thức lớn trong nghiên cứu xói mặt đập đất. Các mô hình hiện tại vẫn chưa hoàn toàn chính xác trong việc dự đoán thời gian và điều kiện xảy ra vỡ đập. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các mô hình này.

III. Phương pháp nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất hiệu quả

Để nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm thí nghiệm thực nghiệm, mô hình toán học và phân tích số liệu. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc kết hợp chúng sẽ mang lại kết quả tốt nhất.

3.1. Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm

Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm giúp xác định tốc độ xói của đất dưới tác động của dòng chảy. Các thí nghiệm này thường được thực hiện trong các điều kiện kiểm soát để đảm bảo tính chính xác của kết quả.

3.2. Mô hình toán học trong nghiên cứu xói mặt đập

Mô hình toán học là công cụ quan trọng trong việc phân tích và dự đoán quá trình xói mòn. Các mô hình này giúp mô phỏng các điều kiện khác nhau và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến xói mặt đập.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất

Nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc thiết kế và thi công các công trình thủy lợi, giúp nâng cao an toàn cho các đập đất.

4.1. Thiết kế và thi công đập đất an toàn

Các kết quả nghiên cứu về cơ chế xói mòn có thể được áp dụng trong thiết kế và thi công đập đất. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp thiết kế an toàn hơn.

4.2. Cảnh báo nguy cơ vỡ đập cho vùng hạ du

Nghiên cứu cũng giúp phát triển các hệ thống cảnh báo nguy cơ vỡ đập cho vùng hạ du. Điều này rất quan trọng trong việc giảm thiểu thiệt hại do sự cố vỡ đập gây ra.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu xói mặt đập đất

Nghiên cứu cơ chế xói mặt đập đất khi nước tràn đỉnh là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Các kết quả nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao an toàn cho các công trình thủy lợi mà còn mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực này. Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các phương pháp và mô hình hiện có.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ cơ chế xói mòn là rất quan trọng trong việc dự đoán khả năng vỡ đập. Những thông tin này sẽ giúp nâng cao an toàn cho các công trình thủy lợi.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác của các mô hình dự đoán khả năng vỡ đập. Việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp nghiên cứu hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả của nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI ĐẬP ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 1.1 Tổng quan về an toàn của đập vật liệu địa phương khi nước tràn đỉnh 1.1 Tổng quan chung Rất rõ ràng, nước là tài nguyên quan trọng nhất đối với đời sống của con người nói riêng và của muôn loài nói chung, nước quyết định đến sự tồn vong của các sinh vật, là động lực chính để hình thành và phát triển các vùng kinh tế v. Do đó, dọc theo chiều dài lịch sử đã có rất nhiều các biện pháp, nghiên cứu được đề xuất để quản lý, khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn nước. Đắp đập tạo ra các hồ chứa được biết đến như là phương pháp hiệu quả nhất để quản lý, khai thác tổng hợp và sử dụng hiệu quả nguồn nước, phương pháp này đã có những đóng góp lớn và tích cực cho sự phát triển của xã hội. Theo thống kê của ICOLD cho 58.519 đập trên toàn thế giới [2] thì đập VLĐP chiếm 76%, trong đó 63% là đập đất.

Không cần tính đến một khối lượng khổng lồ các đê sông, đê biển cũng có thể nhận thấy vai trò vô cùng quan trọng của đập đất trong việc quản lý, khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước. Tuy nhiên, có một thực tế được ghi nhận rằng trong quá trình hoạt động của các đập đã xuất hiện một số lượng không nhỏ các hư hỏng, điều này dẫn đến phải đầu tư một khoản kinh phí lớn để duy tu bảo dưỡng các đập, hoặc trong trường hợp vỡ đập sẽ gây ra những thiệt hại vô cùng to lớn về tài sản, con người, và môi trường. Một vài ví dụ về hậu quả của các sự cố đập có thể được tìm thấy trong [3]. Các thống kê khác nhau trên thế giới đều thống nhất chỉ ra rằng những hư hỏng xuất hiện ở đập VLĐP chiếm phần lớn trong tổng số các hư hỏng đập đã được thống kê, ví dụ: thống kê các hư hỏng của đập ở Trung Quốc từ năm 1954 đến năm 2006 cho thấy có 3.498 đập bị hư hỏng, trong đó các hư hỏng của đập VLĐP chiếm 90% (85% các hư hỏng xuất hiện ở đập đất đồng chất) [4]; hoặc tổng kết của hơn 900 hư hỏng đập trên thế giới cho thấy 65% các hư hỏng này xuất hiện ở đập VLĐP [5].

5 Các nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng của đập đất bao gồm: các nguyên nhân do dòng thấm gây nên, sụt lún biến dạng, nước tràn đỉnh đập, v., trong đó nước tràn đỉnh đập là nguyên nhân chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng số các nguyên nhân gây ra sự cố đập (ICOLD 1995, Foster 2000, Costa 1985) [6]. Không nằm ngoài quy luật đó, nước tràn đỉnh đập đã được chỉ ra là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra vỡ đập đất ở Việt Nam. Theo thống kê trong ‘‘tiêu chí đánh giá an toàn đập đất’’ của Phạm Ngọc Quý, trong tổng số các đập đất ở Việt Nam bị vỡ, thì vỡ do mực nước lũ vượt thiết kế tràn qua đỉnh đập chắn chiếm tới 59% [7]. Đặc biệt trong thời gian gần đây, do sự biến đổi khí hậu mà Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, đã làm cho thời tiết trở nên rất cực đoan.

Mưa to trên diện rộng, mưa cực đoan đã xuất hiện thường xuyên hơn làm tăng nguy cơ nước tràn đỉnh đập. Khi tính toán kiểm tra an toàn về tháo lũ của các hồ chứa thủy lợi, rất nhiều hồ chứa đã không đảm bảo khả năng tháo. Phần trình bày bên trên đặt ra một yêu cầu là phải có những nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập đất gây ra vỡ trong điều kiện các đập ở Việt Nam.2 Một số ví dụ điển hình về sự cố vỡ đập do tràn đỉnh 1.1 Trên thế giới  Vỡ đập Tous [8] Tous là một đập đất lớn nằm gần Valencia, Tây Ban Nha. Đập được thiết kế và xây dựng với mục tiêu phòng chống lũ kết hợp tưới tiêu trong nông nghiệp.

Năm 1958, đập được thiết kế là một đập bê tông trọng lực cao 80m, nhưng trong quá trình khảo sát nền móng không cho phép nên dự án đã tạm dừng vào năm 1964. Dự án được khởi động lại năm 1974 với thiết kế thay đổi là một đập đất đầm nén có tường lõi đất sét chống thấm cao 70m, chiều dài đập 400m, tràn xả lũ có cửa van với lưu lượng xả lên tới 7.000m3/s, cửa xả đáy với lưu lượng 250m3/s. Ngày 19, 20 tháng 10 năm 1982, mưa lớn diễn ra trên toàn lưu vực Jùcar gần đập Tous. Lượng mưa lớn nhất được báo cáo tại khu vực Cofrentes, khoảng 25 km về phía tây bắc của đập Tous.

Tổng lượng mưa tại Cofrentes lên tới 550mm và đạt 285mm chỉ trong 3 giờ. Dòng chảy lũ ước tính lên tới 5.000m3/s, cửa van trên tràn xả lũ được mở ra. Không may là hệ thống điện 6 không hoạt động do điều kiện thời tiết, hai máy phát điện dự phòng cũng không thể khởi động, những nỗ lực để nâng cửa van bằng tay không có kết quả. Nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập lúc 17 giờ và cao hơn đỉnh đập 1,1m lúc 19 giờ 15 phút.

Đập đã bị xói và vỡ một phần bên vai; hậu quả là 8 người chết, 100.000 người phải sơ tán, thiệt hại về kinh tế ước tính lên tới 400 triệu đô la. Đập Tous đã được xây dựng lại tại vị trí của đập cũ, sử dụng lại một phần tường lõi đất sét vì đây là bộ phận thể hiện khả năng kháng xói cao trong nước nên được tái sử dụng trong kết cấu của đập mới. Đập Tous sau khi vỡ  Vỡ đập Belci [8] Belci là một đập đất có thiết bị chống thấm là tường lõi đất sét xây dựng năm 1962 trên sông Tazlaur, Slobozia ở Romania. Đập cao 18,5m, chiều dài đỉnh đập là 432m, dung tích 12,7 triệu m3.

Ngày 28 tháng 7 năm 1991, mưa lớn đã xảy ra trên lưu vực hồ, do hỏng đường dây điện thoại liên lạc và mất điện nên không thể thông tin dự báo lũ từ trạm đo đạc ở phía thượng lưu đập cho đội quản lý cũng như không thể mở cửa van xả đáy lên quá 40cm. Vào lúc 2 giờ 15 phút ngày 29 tháng 7, nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập với lưu lượng đỉnh lũ lên tới 1200 m3/s, thấp hơn lưu lượng lũ thiết kế của hồ là 1515 m3/s, đập bị vỡ với vết vỡ dài 112m, sâu tới 15m. Đến 7 giờ 15 phút thì toàn bộ nước trong hồ đã chảy về hạ lưu làm 25 người chết, 119 ngôi nhà bị phá hủy.  Vỡ đập Delhi, bang Iowa, Mỹ [9] 7 Hình 1.

Đập Delhi bị vỡ và dòng nước cuồn cuộn chảy về hạ lưu. Phần đập đất bị xói hết, chỉ còn lại phần bê tông Delhi là đập đất nhỏ trên sông Maquoketa, một phụ lưu của sông Missisipi, tại đông bắc bang Iowa, Hoa Kỳ. Đập cao 12m, dài 34m, được xây dựng từ năm 1922 đến năm 1929, tạo hồ chứa có bề mặt trải rộng trên diện tích 218ha. Trạm thủy điện có công suất 1.5MW vận hành trong những năm 1929 ÷ 1973.

Hồ có nhiệm vụ chủ yếu là cấp nước và nghỉ dưỡng. Ngày 24/7/2010, sau trận mưa lớn với lượng mưa 250mm trong 12 giờ liền, nước sông dâng cao, mực nước hồ cao hơn mức lũ thiết kế tới 3m và tràn qua đường giao thông tại đỉnh đập. Đập bị vỡ, dòng lũ và nước trong hồ xói trôi toàn 8 bộ đập đất. Tuy là đập nhỏ nhưng khi bị vỡ đã gây thiệt hại đáng kể cho khu vực hạ du, nhất là hai thành phố Hopkinton và Monticello.

Khoảng 8000 người phải chạy lụt; 50 ngôi nhà và 20 cơ sở kinh doanh bị ngập nặng; các nhà máy xử lý nước không hoạt động và thiệt hại đến hàng triệu đô la. Hiện các chuyên gia và các nhà quản lý đang tranh luận phương án phục hồi đập, nên phục hồi nguyên dạng hay nâng cấp qui mô công trình.  Vỡ đập Bản Kiều, Trung Quốc [10] Đập Bản Kiều là loại đập đất, có chiều cao 25m, dung tích thiết kế của hồ chứa là 492 triệu m3, đập tràn có khả năng tháo lớn nhất với lưu lượng 1. Tháng 8 năm 1975, mưa đặc biệt lớn ở thượng nguồn sông Hoài dẫn đến một trận đại hồng thủy.

Hai trong tổng số 10 hồ chứa nước lớn (hồ chứa nước Bản Kiều và hồ chứa nước Thạch Mạn Than) cùng với 58 hồ chứa nước vừa và nhỏ khác vùng Zhumadian (Trú Mã Điếm) thuộc tỉnh Henan (Hà Nam) - Trung Quốc bị vỡ đập do nước tràn đỉnh, 11 triệu mẫu đất nông nghiệp bị phá hoại, 11 triệu người bị bị ảnh hưởng, hơn 26 nghìn người chết, 5.96 triệu ngôi nhà bị phá hủy, cuốn trôi 3.743 triệu con gia súc gia cầm, 102 km tuyến đường Bắc Kinh – Quảng Châu dọc tuyến Nam Bắc Trung Quốc bị phá hoại, ách tắc giao thông 18 ngày, thiệt hại kinh tế gần 10 tỉ nhân dân tệ, trở thành một trong những thảm họa vỡ đập lớn nhất trên thế giới. Sự kiện này được thế giới gọi chung là “Sự kiện vỡ đập hồ chứa nước Bản Kiều”. Đập Bản Kiều ngày nay và tràn xả lũ đã được khôi phục lại 9 Nguyên nhân vỡ đập do mưa lớn liên tục trong nhiều ngày, hồ không có dung tích dự phòng, mực nước tăng lên rất nhanh vượt qua cả mực nước cảnh giới, nước tràn đỉnh đập dẫn đến vỡ đập 1.2 Ở Việt Nam  Vỡ đập Đồng Đáng và Khe Luồn tại Tĩnh Gia, Thanh Hóa Trong đợt mưa bão tháng 10 năm 2013, do mưa lớn trên toàn bộ lưu vực làm lượng nước từ thượng nguồn đổ về rất lớn. Hai hồ đập lớn nhất huyện Tĩnh Gia là Đồng Đáng (xã Trường Lâm) và Khe Luồng (xã Tân Trường) có sức chứa hơn 600.000 m3 nước có mực nước vượt quá mực nước lũ thiết kế và tràn qua đỉnh đập dẫn đến vỡ đập.

Hậu quả là 300 hộ dân phải sơ tán, thiệt hại về kinh tế lên đến hàng tỷ đồng. Vỡ đập Đồng Đáng – Thanh Hóa, ngày 1/10/2013 (nguồn Internet)  Vỡ đập Phân Lân, Vĩnh Phúc Hồ chứa nước Phân Lân có dung tích hiệu dụng theo thiết kế là 200. Hồ có nhiệm vụ trữ nước để phục vụ sản xuất nông nghiệp, tạo cảnh quan du lịch và điều hòa môi trường sinh thái. Đập tạo hồ chứa là đập đất còn có nhiệm vụ phục vụ việc đi lại cho người dân địa phương.