Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi thủy điện ở Việt Nam" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Mai Lâm Tuấn, chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy (mã số: 9580202) tại Trường Đại học Thủy Lợi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Quang Cường và PGS. Lê Văn Hùng, bảo vệ năm 2019. Luận án thuộc lĩnh vực công trình thủy, kết hợp giữa tổng kết thực nghiệm kỹ thuật, cơ sở lý thuyết thủy lực công trình và mô hình hóa tính toán số.
Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực tiễn xây dựng các công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện trên sông, suối: dẫn dòng thi công là khâu then chốt, quyết định đến an toàn, tiến độ và giá trị kinh tế của toàn bộ dự án. Trong thực tế trong nước và quốc tế, việc xác định quy mô công trình dẫn dòng không phù hợp đã dẫn đến nhiều sự cố nghiêm trọng như vỡ đê quai, vỡ đập chính, kéo dài thời gian thi công và phát sinh tổn thất kinh phí lớn (điển hình như các sự cố tại đập Mammoth, đập Short Crook ở Mỹ; hay sự cố tại công trình Cửa Đạt, Sông Mực, IaKrel 2 ở Việt Nam).
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định cụ thể:
- Các quy định hiện hành tại Việt Nam như Quy chuẩn Quốc gia QCVN 04-05:2012/BNN&PTNT và Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 9160:2012 (Công trình thủy lợi - Yêu cầu thiết kế dẫn dòng trong xây dựng) chủ yếu quy định tần suất thiết kế dẫn dòng dựa theo cấp công trình. Tiêu chuẩn chưa tính toán đầy đủ các yếu tố thực tế như chiều cao cột nước, dung tích lòng hồ tại thời điểm dẫn dòng, mức độ ngập lụt hạ du khi xảy ra sự cố; đồng thời chưa có cơ sở khoa học định lượng rõ ràng cho việc nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế.
- Tiêu chuẩn chưa có hướng dẫn cụ thể về việc xác định tần suất và thông số tính toán khi công trình chính trực tiếp tham gia dẫn dòng (đặc biệt là phương án cho nước lũ tràn qua bề mặt đập đang xây dở).
- Các công cụ tính toán thủy lực phổ biến như MIKE, HEC-RAS, TELEMAC dựa trên hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều cho dòng chảy sông/kênh tự nhiên, không phù hợp với bài toán thủy lực dẫn dòng ổn định qua công trình; phần mềm Flow-3D tuy mô phỏng chi tiết 3 chiều nhưng yêu cầu điều kiện biên phức tạp, thời gian giải kéo dài và đòi hỏi cấu hình máy tính cao, không thuận tiện cho việc so sánh nhiều phương án thiết kế; các phần mềm chuyên dụng như Hydraulic Calculator hay EHPro chỉ giải quyết công trình độc lập, chưa xử lý được bài toán dẫn dòng kết hợp đồng thời (như qua cống/đường hầm kết hợp với tràn qua đỉnh đập đang thi công), chưa có thuật toán chuyển tiếp liên tục giữa các chế độ chảy (chảy tự do sang chảy ngập, chảy không áp sang có áp) và chưa tích hợp bài toán điều tiết lũ trong quá trình dẫn dòng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 3 nội dung:
- Xây dựng cơ sở khoa học để kiến nghị lựa chọn tần suất thiết kế, thời đoạn dẫn dòng, xác định lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công;
- Phân tích các yếu tố công trình phục vụ lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng qua đập đá đổ, đá đắp đang xây dựng;
- Hoàn thiện phương pháp tính toán và thuật toán phục vụ thiết kế và lựa chọn quy mô của công trình dẫn dòng khi có nhiều công trình cùng tham gia dẫn dòng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Công tác xây dựng công trình đầu mối thủy lợi, thủy điện.
- Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào việc phân tích lựa chọn phương án dẫn dòng thi công, xác định lưu lượng thiết kế, tính toán thủy lực dẫn dòng và lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng; nghiên cứu công tác dẫn dòng khi sử dụng nhiều công trình tháo nước cùng đồng thời tham gia dẫn dòng. Luận án không đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng thấm rối qua thân đập đá đổ, hiện tượng mạch động của dòng chảy và bài toán tiêu năng ở hạ lưu.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong phần tổng quan, tác giả điểm lại hệ thống các công trình nghiên cứu và thực tế xây dựng trên thế giới và tại Việt Nam:
Về các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tính toán thủy lực dẫn dòng:
- Henry Olivier (1967) nghiên cứu mối quan hệ giữa lưu lượng đơn vị, độ dốc mái đập và đường kính hòn đá áp dụng cho việc gia cố đập đá đổ khi cho nước tràn qua.
- Karen Fisher và David Ramsbottom nghiên cứu quy trình tính toán lưu lượng, lựa chọn và thiết kế kết cấu kênh dẫn dòng thi công đối với các công trình có quy mô vừa và nhỏ.
- Sổ tay tính toán thủy lực của Nga (1988) thiết lập phương pháp tính toán chế độ thủy lực qua các dạng công trình dẫn dòng độc lập.
- Nguyễn Danh Oanh (2003) nghiên cứu chế độ thủy lực cửa vào đường hầm dẫn dòng thi công, giải bài toán thủy động lực học phẳng và thiết lập công thức tính hệ số giảm áp nhằm đề xuất giải pháp cửa vào có trụ nhô chống hiện tượng chân không.
- Hoàng Văn Tân (1999) nghiên cứu thực nghiệm mô hình vật lý khả năng tháo lũ kết hợp giữa tràn đỉnh rộng/trực dụng và cống đáy, chỉ ra cơ chế tương tác dòng chảy thượng lưu làm thay đổi khả năng tháo so với việc tính toán hai công trình làm việc độc lập.
- Lê Bá Sơn (1994) phân loại các dạng dòng xả và xác định tổn thất năng lượng do tương tác giữa dòng phun tự do của tràn mặt và dòng xả sâu, chỉ ra lượng tổn thất này chiếm từ 20% đến 50% tổng tổn thất năng lượng từ thượng lưu về hạ lưu.
- Vũ Đại Nguyên phát triển phần mềm EHPro tính toán thủy lực công trình thủy lợi, tuy nhiên chương trình mới dừng lại ở việc tính cho các công trình tháo nước độc lập.
Về kinh nghiệm xây dựng thực tế các công trình trên thế giới và Việt Nam:
- Các đập cao trên thế giới áp dụng các giải pháp dẫn dòng phức tạp: Đập vòm Kim Bình (Trung Quốc, cao 305 m), đập đất đá Nurek (Tajikistan, cao 300 m), đập bê tông trọng lực Grande Dixence (Thụy Sĩ, cao 285 m).
- Phương án dẫn dòng tràn qua đê quai và đập đá đổ đang xây dựng: Công trình Toktogunskia (1966) trên sông Naryn với đê quai cao 45 m chia 2 giai đoạn, gia cố mái hạ lưu bằng bê tông dốc nước, tầng lọc ngược 3 lớp và khối tetrapod; đập Nurek (1966) trên sông Vakhsh cho tràn qua đê quai gia cố bằng tấm bê tông cốt thép $1{,}5 \times 1{,}5 \times 0{,}8\text{ m}$; công trình Ust-Khantaiska (1968–1969) dẫn dòng qua hầm kết hợp tràn qua đê quai và tràn qua thân đập đá đổ có khung gỗ bảo vệ; đập Brownlee (Braunla) trên sông Snake (Mỹ) cao 88,5 m cho nước tràn qua đập đá đổ đầm nén ở cao trình +552,0 m với lớp đá dày 2,4 m; đập Ord (Australia) cao 98 m gia cố mái hạ lưu bằng neo thép đường kính 25 mm dài tới 10 m kết hợp rọ đá mắt lưới $152 \times 152\text{ mm}$; các công trình tại Trung Quốc như đập Thiên Sinh Kiều (CFRD cao 178 m), Chích Khê (cao 132,5 m), Bạch Khê (cao 124,4 m), Thủy Bố Á (cao 233 m), Mao Gia Thôn.
- Kinh nghiệm thực tế tại Việt Nam: Nghiên cứu của Vũ Trọng Hồng (1972) chỉ rõ mái hạ lưu đập đá đổ dốc hơn 1:3 bắt buộc phải có kết cấu gia cố đặc biệt bằng hệ thống neo; đề tài cấp nhà nước của Trần Quốc Thưởng (2016) đề xuất giải pháp gia cố mái đê quai bằng tấm bê tông cốt thép và khung thép bọc đá. Thực tế các công trình lớn như Thác Bà, Hòa Bình (dẫn dòng qua đập đang xây dựng ở cao trình +25,0 m có đập tràn tạm ngưỡng +30,0 m), Tuyên Quang (cho tràn qua đê quai và phần thân đập ở cao trình +48,0 m), Cửa Đạt (gặp sự cố năm 2007 do để cao trình tràn quá cao ở mức +50,0 m, chênh lệch cột nước 17,5 m, gia cố bằng thảm rọ đá dày 0,5 m chưa đủ khả năng chịu lực), Sơn La, Lai Châu, Bắc Hà, Huội Quảng, Bình Điền, Sê San 4, Tả Trạch, Đầm Hà Động.
Vị trí của luận án: Luận án kế thừa các kết quả thực nghiệm và lý thuyết thủy lực hiện có, tập trung giải quyết khoảng trống về phương pháp luận và công cụ tính toán đồng thời nhiều công trình dẫn dòng, xây dựng quy trình phân tích kinh tế - kỹ thuật định lượng để nâng hạ tần suất thiết kế, cũng như xác định các thông số thủy lực phục vụ gia cố đập đá đổ đang thi công.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết của luận án:
- Luận án xây dựng cơ sở tính toán dựa trên hệ ba phương trình cơ bản của dòng chảy ổn định trong thủy lực công trình:
- Phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng);
- Phương trình động lượng;
- Phương trình năng lượng Bernoulli.
- Tác giả lập luận rằng việc sử dụng các mô hình thủy động lực học sông 1 chiều (hệ phương trình Saint-Venant vi phân từng phần giải bằng sai phân hữu hạn) không phản ánh đúng cơ chế thủy lực tại khu vực cụm đầu mối dẫn dòng, nơi chế độ chảy biến đổi mạnh qua các công trình tháo nước cục bộ (cống, tràn, hầm). Thay vào đó, mô hình thủy lực công trình ổn định kết hợp phương pháp giải tích và số trị là giải pháp phù hợp.
- Cơ sở lý thuyết điều tiết lũ trong quá trình dẫn dòng: Dựa trên phương trình cân bằng nước qua hồ chứa tạm thời trong từng bước thời gian:
$$\Delta W = (Q_{\text{đến}} - Q_{\text{xả}}) \Delta t$$
- Ứng dụng phần mềm Flow-3D: Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) và thuật toán Volume of Fluid (VOF) để mô phỏng 3 chiều dòng chảy qua bề mặt đập đang thi công và cửa vào các công trình tháo, dùng làm công cụ kiểm chứng độc lập cho các thuật toán giải tích được lập trình.
Phương pháp nghiên cứu thực hiện:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các công thức thủy lực tràn đỉnh rộng, tràn thực dụng, cống chảy không áp, cống chảy có áp, chảy tự do và chảy ngập;
- Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm và kế thừa: Phân tích số liệu quan trắc, hồ sơ thiết kế và thực tế thi công của hàng loạt công trình thủy lợi, thủy điện tại Việt Nam và trên thế giới;
- Phương pháp mô hình hóa: Thiết lập thuật toán, sơ đồ khối và lập trình phần mềm tính toán thủy lực dẫn dòng thi công kết hợp điều tiết lũ; mô hình hóa số trị 3 chiều trên phần mềm Flow-3D;
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo và đối chiếu ý kiến của các chuyên gia đầu ngành trong lĩnh vực xây dựng công trình thủy.
Nguồn tư liệu và dữ liệu:
- Số liệu khí tượng thủy văn, lưu lượng dòng chảy nhiều năm của các lưu vực sông chính thuộc 5 vùng địa lý của Việt Nam;
- Số liệu thiết kế, thi công thực tế và tài liệu thí nghiệm mô hình thủy lực (TNMH) của các công trình: Sơn La, Lai Châu, Hòa Bình, Tuyên Quang, Cửa Đạt, Bắc Hà, Huội Quảng, Bình Điền, Sê San 4.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện
Chương 1 hệ thống hóa vai trò, nguyên tắc và các hình thức dẫn dòng thi công công trình đầu mối:
- Phân tích mục đích của dẫn dòng thi công: Vừa đảm bảo hố móng khô ráo để thi công công trình chính an toàn, vừa đảm bảo xả dòng chảy về hạ lưu phục vụ các nhu cầu dùng nước (tưới, phát điện, giao thông thủy, cấp nước sinh hoạt).
- Tổng kết các hình thức dẫn dòng: Dẫn dòng qua cống, qua đường hầm, qua lòng sông thu hẹp, qua kênh dẫn và dẫn dòng qua đập đang xây dở (đập bê tông, đập đá đổ, đập đất).
- Đánh giá thông số thủy lực của các công trình thực tế tại Việt Nam:
- Thủy điện Sơn La: Giai đoạn năm thứ 3, 4, 5 sử dụng cống ngầm kích thước $n \times b \times h = 2 \times 12\text{ m} \times 12\text{ m}$ (đáy +108,0 m) kết hợp kênh dẫn dòng rộng đáy $B = 90\text{ m}$ (đáy +110,0 m) xả lưu lượng thiết kế lớn nhất $14.642\text{ m}^3/\text{s}$; năm thứ 6 dẫn dòng qua cống kết hợp đập bê tông đang xây dở với $Q_{\text{tk}} = 16.044\text{ m}^3/\text{s}$; mùa kiệt năm thứ 6 và 7 cống làm việc độc lập với $Q_{\text{tk}} = 2.450\text{ m}^3/\text{s}$.
- Thủy điện Lai Châu: Sử dụng cống ngầm $n \times b \times h = 2 \times 10\text{ m} \times 16\text{ m}$ (đáy +199,0 m) kết hợp kênh dẫn dòng đáy rộng $35\text{ m}$ (đáy +200,0 m), xả lưu lượng thiết kế lớn nhất $10.388\text{ m}^3/\text{s}$; giai đoạn mùa kiệt cống làm việc độc lập thiết kế với $Q_{\text{tk}} = 1.837\text{ m}^3/\text{s}$ (lưu lượng thực tế lớn nhất đạt $924\text{ m}^3/\text{s}$).
- Thủy điện Bắc Hà: Sử dụng cống kích thước $n \times b \times h = 3 \times 5\text{ m} \times 9\text{ m}$ thiết kế tần suất 5% cho mùa kiệt ($Q = 1.134\text{ m}^3/\text{s}$) và mùa lũ kết hợp ($Q = 2.530\text{ m}^3/\text{s}$).
- Công trình Cửa Đạt: Sử dụng hầm dẫn dòng TN2 đường kính trung bình $9\text{ m}$, dài $320\text{ m}$ (cao trình đáy vào +30,0 m) dẫn lưu lượng mùa kiệt $1.250\text{ m}^3/\text{s}$, kết hợp đập tràn qua thân đập vào mùa lũ năm thứ 3 và tràn chính năm thứ 4.
- Thủy điện Huội Quảng: Dùng hầm tiết diện móng ngựa $B \times H = 10 \times 10\text{ m}$, dài $250\text{ m}$ (đáy +286,0 m) xả mùa kiệt $915\text{ m}^3/\text{s}$, kết hợp 4 lỗ xả thi công qua thân đập ($4 \times 5\text{ m} \times 6\text{ m}$) xả lũ $3.432\text{ m}^3/\text{s}$.
- Thủy điện Sê San 4: Sử dụng cống $3 \times 5\text{ m} \times 7\text{ m}$ kết hợp chừa phần đập ở cao trình +166,0 m, bề rộng tràn $B_{\text{tràn}} = 178\text{ m}$ để xả lũ năm 2007 với $Q_{\text{tk}} = 8.160\text{ m}^3/\text{s}$.
- Chương 1 khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu thuật toán thủy lực dẫn dòng kết hợp nhiều công trình và phương pháp xác định lưu tốc dòng chảy trên mái hạ lưu đập đá đổ phục vụ thiết kế gia cố mặt tràn.
| Tên công trình |
Hình thức dẫn dòng chính |
Kích thước công trình tháo |
Lưu lượng thiết kế ($Q_{\text{tk}}$) |
Tần suất thiết kế ($P%$) |
Ghi chú vận hành |
| Sơn La |
Cống ngầm + Kênh dẫn dòng / Đập dở dang |
Cống $2 \times 12\text{ m} \times 12\text{ m}$; Kênh $B = 90\text{ m}$; Đập dở dang $B = 98\text{ m}$ |
Mùa lũ: $14.642 - 16.044\text{ m}^3/\text{s}$; Mùa kiệt: $2.450\text{ m}^3/\text{s}$ |
$P = 3%$ (Lũ kết hợp) |
Vận hành an toàn qua các giai đoạn |
| Lai Châu |
Cống ngầm + Kênh dẫn dòng |
Cống $2 \times 10\text{ m} \times 16\text{ m}$; Kênh $B = 35\text{ m}$ |
Mùa lũ: $10.388\text{ m}^3/\text{s}$; Mùa kiệt: $1.837\text{ m}^3/\text{s}$ |
$P = 5%$ |
Lưu lượng thực tế lớn nhất mùa kiệt $924\text{ m}^3/\text{s}$ |
| Bắc Hà |
Cống dẫn dòng |
Cống $3 \times 5\text{ m} \times 9\text{ m}$ |
Mùa lũ: $2.530\text{ m}^3/\text{s}$; Mùa kiệt: $1.134\text{ m}^3/\text{s}$ |
$P = 5%$ |
Vận hành an toàn năm 2006-2007 |
| Huội Quảng |
Đường hầm + 4 lỗ xả thân đập |
Hầm móng ngựa $10 \times 10\text{ m}$; 4 lỗ xả $4 \times 5\text{ m} \times 6\text{ m}$ |
Hầm mùa kiệt: $915\text{ m}^3/\text{s}$; Kết hợp mùa lũ: $3.432\text{ m}^3/\text{s}$ |
Tùy giai đoạn |
Hoành triệt sau khi hoàn thành đập |
| Cửa Đạt |
Đường hầm TN2 + Đập đá đổ dở dang |
Hầm tròn $D = 9\text{ m}$, dài $320\text{ m}$; Đập dở dang cao trình +50,0 m |
Mùa kiệt: $1.250\text{ m}^3/\text{s}$ |
$P = 5%$ |
Gặp sự cố năm 2007 do chênh lệch cột nước 17,5 m |
| Tuyên Quang |
Cống dẫn dòng + Đê quai / Thân đập |
Đập dở dang cao trình +48,0 m (cột nước thấp $\approx 4\text{ m}$) |
Mùa lũ kết hợp: $5.036\text{ m}^3/\text{s}$ |
$P = 5%$ |
Mặt tràn và đê quai bọc bê tông cốt thép |
| Hòa Bình |
2 đường hầm + Đập dở dang ngưỡng tạm |
2 hầm $D = 12\text{ m}$, dài $> 1000\text{ m}$; Đập dở dang cao trình +25,0 m |
$Q_{\text{tk}} = 14.690\text{ m}^3/\text{s}$ |
Tùy giai đoạn |
Đỉnh tràn tạm +30,0 m; $Q_{\text{thực tế}} = 14.200\text{ m}^3/\text{s}$ |
| Sê San 4 |
Cống dẫn dòng + Đập dở dang |
Cống $3 \times 5\text{ m} \times 7\text{ m}$; Đập dở dang $B = 178\text{ m}$ (+166,0 m) |
$Q_{\text{tk}} = 8.160\text{ m}^3/\text{s}$ |
Tùy giai đoạn |
Xả lũ an toàn tháng 5/2007 |
Chương 2: Cơ sở khoa học lựa chọn lưu lượng thiết kế dẫn dòng thi công và tính toán thủy lực dẫn dòng
Chương 2 tập trung phân tích các luận cứ khoa học để xác định các thông số đầu vào của bài toán dẫn dòng:
- Cơ sở khoa học nâng, hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng: Luận án phân tích khái niệm lựa chọn tần suất gắn với quản lý rủi ro (chấp nhận rủi ro, giảm thiểu rủi ro, phòng tránh rủi ro và loại trừ rủi ro). Khi hạ tần suất (tăng độ an toàn), chi phí công trình dẫn dòng tăng; ngược lại, chọn tần suất cao thì rủi ro thiệt hại lớn. Tác giả xây dựng phương pháp luận phân tích chi phí khi chấp nhận cho nước lũ tràn qua đê quai và hố móng, phân định thành hai nhóm chi phí cụ thể:
- Phí tổn trực tiếp: Chi phí bơm tiêu nước hố móng; chi phí nạo vét bùn đất sa bồi; chi phí di chuyển thiết bị xe máy thi công; chi phí sửa chữa đê quai bị phá hủy; chi phí thi công lại phần thân đập bị sạt lở hoặc cuốn trôi.
- Phí tổn gián tiếp: Chi phí trả lương cho công nhân và máy móc chờ việc; chi phí duy trì, mở rộng lán trại công trường; chi phí tổn thất tài chính do chậm tiến độ đưa công trình vào khai thác.
- Phân tích thời đoạn dẫn dòng theo điều kiện khí hậu và thủy văn 5 vùng lãnh thổ Việt Nam: Luận án tổng hợp đặc trưng dòng chảy, mùa lũ, mùa kiệt và sự xuất hiện của lũ tiểu mãn để phục vụ phân chia giai đoạn thi công:
| Vùng địa lý |
Các tháng mùa kiệt |
Các tháng mùa lũ |
Đặc điểm khí hậu và chế độ dòng chảy |
| Trung du và miền núi phía Bắc |
Tháng 12 – Tháng 4 |
Tháng 5 – Tháng 11 |
Lưu vực lớn kiệt nhất tháng 1–3; trên sông Đà lũ đến sớm và kết thúc sớm hơn sông Lô, sông Thao. |
| Bắc Trung Bộ |
Tháng 1 – Tháng 5 |
Tháng 6 – Tháng 12 |
Mang tính chất chuyển tiếp, đầu hè khô hạn gay gắt; lũ dịch lùi về cuối năm, mưa cực đại vào tháng 9–10. |
| Nam Trung Bộ |
Tháng 1 – Tháng 8 |
Tháng 9 – Tháng 12 |
Lũ tập trung ngắn (4–5 tháng), dịch hẳn sang mùa đông; mùa kiệt thường xuất hiện lũ tiểu mãn vào tháng 5–6. |
| Tây Nguyên |
Tháng 1 – Tháng 6 |
Tháng 7 – Tháng 12 |
Mùa mưa tập trung 85–90% lượng nước; tháng 3–4 khô hạn gay gắt nhất; có xuất hiện lũ tiểu mãn đầu mùa kiệt. |
| Đông Nam Bộ |
Tháng 12 – Tháng 5 |
Tháng 6 – Tháng 11 |
Chịu ảnh hưởng gió mùa Tây Nam; mùa kiệt chiếm 10–15% lượng mưa cả năm; kiệt nhất vào tháng 3–4. |
- Cơ sở lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng độc lập và kết hợp:
- Phân tích tương quan kinh tế - kỹ thuật giữa chi phí xây dựng công trình tháo (cống, hầm) với chi phí tôn cao đê quai. Cống đặt thấp giúp giảm chiều cao đê quai nhưng tăng khối lượng đào móng và khó khăn khi hoành triệt; cống có tiết diện rộng tăng khả năng tháo nhưng làm tăng khẩu độ và chi phí thiết bị cửa van. Luận án khuyến cáo không nên thiết kế chiều cao cống lớn hơn tổng chiều rộng các khoang để đảm bảo điều kiện thủy lực ổn định và bố trí cửa vào/ra hợp lý.
- Thiết lập công thức thủy lực tính toán dòng chảy qua cống (chảy có áp, không áp, ngập, không ngập), qua tràn đỉnh rộng, tràn thực dụng và qua đập đá đổ đang xây dựng.
- Phân tích nguyên lý phần mềm Flow-3D trong việc giải bài toán dòng chảy hai pha nước - không khí, ứng dụng để tính toán lưu tốc lớn nhất ($V_{\max}$) trên bề mặt mái dốc đập đá đổ đang xây dựng.
Chương 3: Nghiên cứu phân tích lựa chọn hợp lý quy mô công trình dẫn dòng thi công
Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu lý thuyết, thuật toán và giải bài toán thủy lực chuyên sâu:
- Nghiên cứu lựa chọn tần suất và thời đoạn: Đề xuất các bảng tần suất thiết kế cụ thể cho từng loại hình công trình khi tham gia dẫn dòng, đặc biệt là khi kết hợp xả lũ qua thân đập đang thi công.
- Xây dựng thuật toán và chương trình máy tính:
- Tác giả xây dựng sơ đồ khối và lập trình giải bài toán thủy lực dẫn dòng qua cống độc lập, qua đập đang xây dựng, và bài toán dẫn dòng kết hợp đồng thời qua cả cống và đập dở dang.
- Điểm mới trong thuật toán là xử lý tự động và trơn tru sự chuyển tiếp thủy lực giữa các trạng thái: Từ chảy không áp sang có áp, từ chảy không ngập sang chảy ngập, loại bỏ hiện tượng gián đoạn số học (bước nhảy) trong quá trình lặp tính toán đường mặt nước thượng lưu ($H_{\text{tl}}$).
- Tích hợp bài toán điều tiết lũ thi công: Tự động tính toán đường quá trình lưu lượng xả qua từng công trình dẫn dòng và biến thiên mực nước hồ chứa tạm thời theo thời gian.
- Kiểm định chương trình tính toán: So sánh kết quả tính từ phần mềm tự lập với số liệu thí nghiệm mô hình vật lý thủy lực của các công trình thực tế, cho thấy sai số nhỏ, nằm trong giới hạn cho phép của tính toán kỹ thuật thủy công.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học đến lưu tốc lớn nhất ($V_{\max}$) trên mái đập đá đổ đang xây dựng:
- Khảo sát các thông số: Hệ số mái dốc hạ lưu ($m$), chiều dài dốc nước ($L$), chênh lệch độ cao giữa chân dốc nước và mực nước hạ lưu ($H_d$), và lưu lượng đơn vị ($q$).
- Kết quả phân tích chỉ ra quy luật biến thiên: Lưu tốc lớn nhất $V_{\max}$ tăng khi lưu lượng đơn vị $q$ tăng và độ dốc mái tăng (tức hệ số $m$ giảm). Khi mực nước hạ lưu ngập chân dốc nước ($H_d \le 0$), vùng nước đệm hạ lưu làm giảm đáng kể giá trị $V_{\max}$ trên đoạn chân mái đập.
- Thiết lập các biểu đồ quan hệ $q \sim V_{\max}$ tương ứng với các tổ hợp thông số $m$, $L$, $H_d$, cung cấp công cụ tra cứu trực tiếp để xác định tải trọng thủy lực tác dụng lên lớp gia cố mái hạ lưu đập đá đổ.
Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho một số công trình thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam
Chương 4 áp dụng các kết quả nghiên cứu vào phân tích thực tế và giải quyết bài toán thiết kế cụ thể:
- Phân tích việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng cho các công trình lớn: Sơn La, Lai Châu, Tuyên Quang, Cửa Đạt. Đánh giá tính hợp lý của các giải pháp đã thực hiện và kiến nghị điều chỉnh tiêu chuẩn tính toán khi công trình chính tham gia dẫn dòng.
- Ứng dụng tính toán lựa chọn quy mô dẫn dòng qua đập đá đổ đang xây dựng cho một hồ chứa nước cụ thể:
- Thiết lập các phương án so sánh về cao trình chừa lại của thân đập đá đổ trong mùa lũ, kết hợp với kích thước đường hầm dẫn dòng sẵn có.
- Tính toán thủy lực dẫn dòng kết hợp điều tiết lũ cho các phương án bằng phần mềm tự lập.
- Tính toán lưu tốc lớn nhất $V_{\max}$ xuất hiện trên bề mặt tràn qua thân đập; từ đó thiết kế kết cấu gia cố bề mặt: Sử dụng tấm bê tông cốt thép kết hợp hệ thống neo thép cắm sâu vào thân đập đá đổ (xác định chiều dày tấm bê tông, đường kính và mật độ lưới neo).
- So sánh kinh tế - kỹ thuật toàn diện giữa các phương án: Tính toán khối lượng đắp đập giai đoạn 1, khối lượng đắp bù giai đoạn 2 sau lũ, cường độ thi công đắp đập yêu cầu của từng giai đoạn, chi phí vật liệu gia cố bề mặt và chi phí công trình dẫn dòng. Từ đó chọn ra phương án tối ưu hài hòa giữa chi phí và an toàn tiến độ.
- Sử dụng phần mềm Flow-3D để mô phỏng kiểm chứng lại trường dòng chảy 2 chiều và 3 chiều trên mặt đập và qua đường hầm cho phương án lựa chọn, khẳng định độ tin cậy của kết quả tính toán giải tích.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:
- Tổng hợp và hoàn thiện cơ sở khoa học về lựa chọn tần suất lưu lượng thiết kế, thời đoạn dẫn dòng và phương pháp tính toán thủy lực dẫn dòng thi công trong xây dựng công trình thủy lợi, thủy điện.
- Thiết lập quy luật phân bố và công thức xác định lưu tốc dòng chảy lớn nhất ($V_{\max}$) trên mái đập đá đổ đang xây dở chịu ảnh hưởng của các yếu tố hình học (độ dốc mái, chiều dài dốc nước, chênh lệch cột nước với hạ lưu và lưu lượng đơn vị tràn).
Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng:
- Đề xuất bổ sung, điều chỉnh các quy định định lượng trong quy chuẩn, tiêu chuẩn quốc gia (QCVN 04-05:2012 và TCVN 9160:2012) về việc lựa chọn tần suất thiết kế dẫn dòng trong trường hợp công trình chính trực tiếp tham gia dẫn dòng (đặc biệt là phương án cho tràn qua đập đá đổ, đá đắp đang thi công dở dang).
- Xây dựng quy trình phân tích kinh tế - kỹ thuật định lượng để xem xét nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng dựa trên bài toán so sánh chi phí công trình và thiệt hại khi chấp nhận sự cố tràn hố móng.
- Xây dựng thành công bộ chương trình máy tính chuyên dụng có khả năng tính toán thủy lực liên tục cho bài toán dẫn dòng kết hợp đồng thời nhiều công trình (cống/hầm kết hợp tràn qua đập đang xây dở), xử lý trơn tru các bước chuyển tiếp chế độ chảy và tích hợp tính toán điều tiết lũ thi công, giúp rút ngắn thời gian tính toán so sánh các phương án thiết kế.
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể về bố trí thông số hình học và gia cố bảo vệ bề mặt đập đá đổ (kết cấu tấm bê tông cốt thép liên kết hệ thống neo ngàm) khi cho lũ tràn qua, áp dụng hiệu quả cho điều kiện thi công tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Theo đúng giới hạn phạm vi nghiên cứu đã công bố, luận án không đi sâu giải quyết hiện tượng thấm rối qua khối đá đổ bên dưới bề mặt tràn khi dòng nước tràn qua đập đang xây dở.
- Luận án chưa nghiên cứu chi tiết tác động của áp lực mạch động dòng chảy lên các mảng tấm lát gia cố bê tông và tải trọng nhổ tác dụng lên từng thanh neo thép.
- Bài toán diễn biến xói lở và các giải pháp công trình tiêu năng cục bộ ở lòng dẫn hạ lưu sau đập đá đổ chưa được nghiên cứu toàn diện trong thuật toán tính toán.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng thuật toán tính toán thủy lực để tích hợp đồng thời bài toán dòng thấm rối qua thân đập đá đổ kết hợp với dòng tràn mặt tự do.
- Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình số 3 chiều về áp lực mạch động vận tốc và mạch động áp suất thủy động tác dụng lên kết cấu tấm bê tông và liên kết neo bảo vệ mái dốc.
- Nghiên cứu hoàn thiện các giải pháp công trình tiêu năng đáy và chống xói lở hạ lưu thích ứng với chế độ xả lũ qua thân đập dở dang trong thời kỳ thi công.
Giá trị tham khảo
Giá trị đối với công tác thiết kế và quản lý dự án:
- Luận án là tài liệu tham khảo thực tế cho các kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy, các ban quản lý dự án thủy lợi, thủy điện trong việc lập báo cáo nghiên cứu khả thi, thiết kế kỹ thuật phương án dẫn dòng thi công.
- Cung cấp cơ sở tính toán khoa học cho các cơ quan quản lý nhà nước, hội đồng thẩm định khi phê duyệt thiết kế dẫn dòng, đặc biệt là việc thẩm tra quyết định nâng hoặc hạ cấp tần suất thiết kế so với quy chuẩn thông thường.
Giá trị đối với công tác nghiên cứu và đào tạo:
- Cung cấp tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Thủy lực công trình, Quản lý xây dựng công trình thủy lợi - thủy điện.
- Phần thuật toán tính toán thủy lực chuyển tiếp chế độ chảy và kết quả phân tích trường lưu tốc trên mái dốc đập đá đổ có thể sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về thi công công trình thủy công.
Giá trị phục vụ sửa đổi tiêu chuẩn:
- Các đề xuất, kiến nghị sửa đổi đối với QCVN 04-05:2012 và TCVN 9160:2012 cung cấp luận cứ thực tiễn có giá trị cho các cơ quan chuyên môn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Bộ Xây dựng trong quá trình soát xét, hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao các phần mềm thủy lực phổ biến như HEC-RAS hay MIKE không phù hợp cho bài toán dẫn dòng thi công đầu mối mà tác giả phải lập chương trình tính toán riêng?
Các phần mềm như MIKE hay HEC-RAS được xây dựng dựa trên hệ phương trình vi phân Saint-Venant 1 chiều mô tả dòng chảy không ổn định trên sông và mạng lưới kênh tự nhiên. Trong khi đó, bài toán dẫn dòng thi công công trình đầu mối chủ yếu dựa trên lý thuyết dòng chảy ổn định qua các công trình tháo cục bộ (cống, hầm, đập tràn) với ba phương trình cơ bản là phương trình liên tục, động lượng và Bernoulli. Mặt khác, các phần mềm thương mại hiện có chưa xử lý được sự chuyển tiếp liên tục giữa các chế độ chảy (tự do - ngập, có áp - không áp) khi kết hợp đồng thời cống/hầm với tràn qua đập dở dang, đồng thời chưa gắn liền trực tiếp với bài toán điều tiết lũ thi công để xác định quy mô công trình. Do đó, việc tác giả lập chương trình tính toán riêng là cần thiết để tự động hóa quá trình tính toán nhiều phương án so sánh.
2. Nguyên nhân dẫn đến sự cố dẫn dòng thi công tại công trình hồ chứa Cửa Đạt năm 2007 được luận án chỉ ra là gì?
Theo phân tích trong luận án, công trình Cửa Đạt gặp sự cố khi cho nước tràn qua đập đá đổ đang xây dựng do một số nguyên nhân chính:
- Bố trí cao trình phần đập chừa lại quá cao (+50,0 m), dẫn đến chênh lệch cột nước đổ sau đập rất lớn (17,5 m), tạo ra lưu tốc dòng chảy trên mái và hạ lưu vượt quá khả năng chịu lực của kết cấu bảo vệ;
- Kết cấu gia cố bề mặt tràn chưa phù hợp (chỉ sử dụng thảm rọ đá dày 0,5 m ở phần tràn và rọ đá $2 \times 0{,}5\text{ m}$ ở hạ lưu, sử dụng đê quai hạ lưu làm tường tiêu năng);
- Trong quá trình thiết kế chưa chú ý đầy đủ đến hiện tượng thấm rối qua khối đá đổ và thiếu thí nghiệm mô hình thủy lực không gian mà chỉ mới thí nghiệm trong máng kính hẹp.
3. Luận án đề xuất phân chia thời đoạn dẫn dòng theo mùa kiệt và mùa lũ ở Việt Nam như thế nào?
Luận án căn cứ vào đặc điểm địa lý, khí hậu và quy luật dòng chảy để phân chia thời đoạn thi công cho 5 khu vực:
- Vùng Trung du và miền núi phía Bắc: Mùa kiệt từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau; mùa lũ từ tháng 5 đến tháng 11;
- Vùng Bắc Trung Bộ: Mùa kiệt từ tháng 1 đến tháng 5; mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 12 (lũ tập trung cao điểm vào tháng 9–10);
- Vùng Nam Trung Bộ: Mùa kiệt từ tháng 1 đến tháng 8; mùa lũ từ tháng 9 đến tháng 12 (có xuất hiện lũ tiểu mãn vào tháng 5 hoặc tháng 6);
- Vùng Tây Nguyên: Mùa kiệt từ tháng 1 đến tháng 6; mùa lũ từ tháng 7 đến tháng 12;
- Vùng Đông Nam Bộ: Mùa kiệt từ tháng 12 đến tháng 5 năm sau; mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 11.
4. Điều kiện để có thể áp dụng giải pháp cho nước lũ tràn qua đập đá đổ đang xây dựng là gì và cần gia cố như thế nào?
Theo luận án, giải pháp cho tràn qua thân đập đá đổ đang thi công chỉ nên áp dụng khi có sự so sánh kinh tế - kỹ thuật với phương án mở rộng đường hầm hoặc đào thêm hầm phụ. Khi mái hạ lưu của đập dốc hơn 1:3, bắt buộc phải có kết cấu gia cố đặc biệt. Giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng các tấm bê tông cốt thép phủ mặt liên kết với hệ thống neo thép cắm sâu vào thân đập đá đổ. Khi tính toán thiết kế lớp gia cố này, phải xác định lưu tốc lớn nhất ($V_{\max}$) tác dụng lên bề mặt, đồng thời phải tính toán bổ sung tải trọng tác động do mạch động lưu tốc dòng chảy để đảm bảo ổn định chống lật tấm lát và chống nhổ neo.
5. Khi chấp nhận giải pháp cho nước tràn qua đê quai và ngập hố móng vào mùa lũ, người thiết kế cần tính toán các loại chi phí nào để so sánh phương án?
Tác giả đề xuất quy trình tính toán gồm hai nhóm chi phí:
- Chi phí trực tiếp: Chi phí ca máy bơm tiêu nước sau lũ; chi phí nạo vét bùn đất bồi lắng hố móng; chi phí nhiên liệu di chuyển máy móc thiết bị ra vào vùng an toàn; chi phí đắp vá, sửa chữa lại đê quai; chi phí thi công bù phần thân đập bị sạt lở hoặc xói trôi;
- Chi phí gián tiếp: Chi phí trả lương công nhân trong những ngày ngừng việc; chi phí bổ sung lán trại, cơ sở hậu cần phục vụ tăng cường cường độ thi công bù tiến độ sau ngập lụt; tổn thất kinh tế do việc chậm hoàn thành và phát huy hiệu quả công trình.
Kết luận
Luận án của tiến sĩ Mai Lâm Tuấn đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và thực tiễn về lựa chọn quy mô công trình dẫn dòng thi công trong xây dựng thủy lợi, thủy điện tại Việt Nam. Công trình đã làm rõ cơ sở lý thuyết để nâng, hạ cấp tần suất thiết kế dẫn dòng gắn với phân tích rủi ro kinh tế - kỹ thuật, xây dựng thuật toán thủy lực xử lý liên tục các chế độ dòng chảy kết hợp và điều tiết lũ, đồng thời xác lập quy luật lưu tốc dòng chảy trên mái đập đá đổ đang xây dở. Các kết quả nghiên cứu và công cụ phần mềm tự lập của luận án có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho công tác thiết kế, thi công các dự án đầu mối thủy lợi, thủy điện, đồng thời cung cấp luận cứ khoa học quan trọng để hoàn thiện hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng công trình thủy của Việt Nam.
