Luận án thạc sĩ về ổn định đập bê tông trọng lực khi nước tràn qua đỉnh

• Tác giả: Nguyễn Văn Hinh
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Văn Mạo
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Ổn Định Đập Bê Tông Trọng Lực Khi Nước Tràn Qua Đỉnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

• 1.1. Tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới
• 1.2. Đập bê tông trọng lực không tràn nước
• 1.2.1. Đập bê tông trọng lực tràn nước
• 1.2.2. Đập bê tông trọng lực không tràn nước
• 1.2.3. Các hình thức mất ổn định của đập bê tông trọng lực
• 1.2.4. Phân tích ổn định trượt, lật đập bê tông trọng lực
• 1.2.5. Phương pháp tính toán theo trạng thái cân bằng giới hạn
• 1.2.6. Sự cố đập bê tông trọng lực trên thế giới

I. Tình hình xây dựng đập bê tông trên thế giới

Đập bê tông trọng lực là một trong những loại đập quan trọng nhất trong xây dựng công trình thủy. Từ những năm đầu thế kỷ 20, việc xây dựng đập bê tông đã phát triển mạnh mẽ với nhiều công trình lớn được hoàn thành. Theo thống kê, đến năm 2011, trên thế giới có khoảng 52.000 đập lớn, trong đó Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản dẫn đầu về số lượng. Đặc biệt, đập Grand Dixence tại Thụy Sỹ được coi là đập bê tông trọng lực cao nhất thế giới với chiều cao 285m. Việc xây dựng và phát triển các đập này không chỉ nhằm mục đích cung cấp nước mà còn để phát điện và kiểm soát lũ lụt. Đập bê tông trọng lực có ưu điểm nổi bật là khả năng chịu lực tốt và tính ổn định cao. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho công trình và cộng đồng xung quanh. Những nghiên cứu về ổn định đập, tác động của nước tràn qua đỉnh đập là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả và an toàn cho các công trình này.

II. Tình hình xây dựng đập bê tông tại Việt Nam

Việt Nam hiện có khoảng 10.000 đập lớn nhỏ, trong đó có gần 500 đập lớn. Đập bê tông trọng lực đã được áp dụng từ những năm 1930 và ngày càng phổ biến. Tuy nhiên, tỷ lệ đập bê tông vẫn còn thấp so với các loại đập khác. Trong giai đoạn từ năm 1975 đến nay, Việt Nam đã chứng kiến sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực thiết kế và thi công đập bê tông. Các đập như Thủy điện Hòa Bình, Thủy điện Trị An, Thủy điện Tuyên Quang đều là những công trình tiêu biểu. Việc nâng cao kỹ thuật thiết kế và thi công đập bê tông là điều cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng. Các yêu cầu về kỹ thuật xây dựng, quản lý nước và an toàn công trình ngày càng trở nên nghiêm ngặt, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và thiên tai ngày càng khó lường.

III. Đặc điểm làm việc của đập bê tông trọng lực

Đập bê tông trọng lực có khả năng chịu lực tốt nhờ vào khối lượng lớn của bê tông. Đập được thiết kế để duy trì ổn định dưới tác động của tải trọng và áp lực nước. Có hai loại đập bê tông trọng lực: đập có tràn nước và đập không có tràn nước. Đập có tràn nước cho phép nước chảy qua mà không làm ảnh hưởng đến an toàn của công trình. Trong khi đó, đập không có tràn nước có nhiệm vụ giữ lại nguồn nước phía trước. Việc tính toán và thiết kế các loại đập này cần phải đảm bảo các yêu cầu về ổn định, chịu lực và khả năng chống thấm. Các nghiên cứu về tính toán ổn định, phân tích tải trọng và đánh giá rủi ro là rất quan trọng trong việc đảm bảo sự an toàn cho công trình.

IV. Phân tích ổn định đập bê tông trọng lực

Phân tích ổn định của đập bê tông trọng lực là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế công trình. Các yếu tố cần xem xét bao gồm tải trọng, ứng suất, và điều kiện địa chất nền. Các phương pháp tính toán như phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp cân bằng giới hạn thường được sử dụng để đánh giá khả năng ổn định của đập. Việc xác định các điều kiện an toàn như chống trượt và chống lật là cần thiết để đảm bảo rằng đập có thể chịu được các tác động từ thiên nhiên như lũ lụt và động đất. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự cố của đập bê tông trọng lực có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng cho con người và môi trường. Do đó, việc áp dụng các tiêu chuẩn an toàn và kỹ thuật hiện đại trong thiết kế và thi công là rất quan trọng.

V. Sự cố đập bê tông trọng lực trên thế giới

Sự cố đập bê tông trọng lực đã xảy ra ở nhiều nơi trên thế giới, gây ra thiệt hại lớn về người và tài sản. Một trong những sự cố nổi bật là sự cố đập Austin ở Mỹ vào năm 1910, khi mưa lớn làm cho nước tràn qua đỉnh đập, dẫn đến sạt lở và làm chết 78 người. Một ví dụ khác là đập Vajont ở Ý, nơi một trận lở đất đã tạo ra sóng lớn, gây thiệt hại nghiêm trọng. Những sự cố này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và đánh giá tác động của nước và biến đổi khí hậu đối với sự ổn định của đập. Việc áp dụng các biện pháp phòng ngừa và cải tiến công nghệ trong thiết kế và thi công đập bê tông trọng lực là cần thiết để giảm thiểu rủi ro và bảo vệ an toàn cho cộng đồng.

Tổng quan nghiên cứu

Đập bê tông trọng lực là một trong những công trình thủy lợi và thủy điện quan trọng trên thế giới, đóng vai trò thiết yếu trong việc cấp nước, phát điện và phòng chống lũ lụt. Theo thống kê của Hội Đập lớn thế giới (ICOLD), tính đến năm 2011, trên toàn cầu có khoảng 52.000 đập lớn phân bố tại 140 quốc gia, trong đó Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Tây Ban Nha và Nhật Bản chiếm tới 80% tổng số đập lớn. Đập bê tông trọng lực chiếm khoảng 12% tổng số đập, nhưng với các đập cao trên 100m, tỷ lệ này lên tới 30%. Việt Nam hiện có gần 10.000 đập lớn nhỏ, trong đó khoảng 500 đập lớn, đứng thứ 16 thế giới về số lượng đập. Đập bê tông trọng lực tại Việt Nam ngày càng được ứng dụng nhiều, đặc biệt với các công trình có chiều cao lớn hơn 60m.

Tuy nhiên, hiện tượng nước tràn qua đỉnh đập bê tông trọng lực không tràn nước, dù ít phổ biến, đã gây ra những sự cố nghiêm trọng như đập Hồ Hô (Hà Tĩnh) năm 2010. Hiện tượng này làm tăng áp lực thủy lực, gây xói lở hạ lưu và ảnh hưởng đến ổn định tổng thể của đập. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng tràn nước qua đập bê tông trọng lực không tràn nước đến ổn định trượt, lật và an toàn công trình, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ an toàn cho đập trong điều kiện biến đổi khí hậu và thiên tai bất thường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các đập bê tông trọng lực có chiều cao từ 20 đến 70m, với các trường hợp lưu lượng tràn qua đỉnh đập từ 0,5 đến 20 m³/s/m.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai hệ thống tiêu chuẩn tính toán ổn định đập bê tông trọng lực phổ biến là tiêu chuẩn Nga - Việt và tiêu chuẩn Mỹ.

• Phương pháp trạng thái giới hạn (theo tiêu chuẩn Nga - Việt): Tập trung vào việc đánh giá các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai của công trình, bao gồm các điều kiện an toàn chống trượt, chống lật và ứng suất giới hạn của vật liệu đập và nền móng. Các hệ số an toàn được xác định dựa trên tổ hợp tải trọng, hệ số tin cậy và điều kiện làm việc.

• Phương pháp cân bằng giới hạn (theo tiêu chuẩn Mỹ): Sử dụng phương pháp phân tích trượt sâu và trượt phẳng, tính toán hệ số ổn định dựa trên tỷ số giữa lực cắt giới hạn và lực cắt phát sinh trên mặt trượt. Phương pháp này chú trọng đến các mặt trượt phức tạp và ảnh hưởng của các tải trọng đặc biệt như động đất, áp lực thấm và áp lực thủy động.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: ổn định trượt, ổn định lật và ảnh hưởng của hồ xói hạ lưu đến diện tích tiếp xúc giữa đập và nền móng. Hồ xói được xem là yếu tố quan trọng làm giảm hệ số an toàn của đập, đặc biệt khi xâm nhập vào chân đập.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực tế từ các đập bê tông trọng lực tại Việt Nam và trên thế giới, kết hợp với các số liệu mô phỏng và tính toán kỹ thuật. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào các đập có chiều cao từ 20 đến 70m, với các trường hợp lưu lượng tràn qua đỉnh đập từ 0,5 đến 20 m³/s/m.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm chuyên dụng ODDBTTL-TU2009 để tính toán ổn định trượt theo tiêu chuẩn Mỹ, đồng thời áp dụng các công thức tính hồ xói của Viện Nghiên cứu Thủy lợi Trường Giang (Trung Quốc) để xác định kích thước hồ xói và ảnh hưởng đến ổn định đập. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập đến hệ số an toàn chống trượt: Khi cột nước tràn qua đỉnh đập tăng từ 0,5m đến 2m, hệ số an toàn chống trượt giảm rõ rệt. Ví dụ, với đập cao 70m, hệ số an toàn giảm từ khoảng 1,42 xuống dưới 1,0 khi cột nước tràn vượt quá 1,5m, cho thấy nguy cơ trượt đập tăng cao.

2. Kích thước hồ xói hạ lưu tăng theo chiều cao đập và lưu lượng tràn: Đối với đập cao 70m, chiều sâu hồ xói có thể lên tới 7,5m khi lưu lượng tràn đạt 20 m³/s/m, trong khi đập thấp 20-30m chỉ có hồ xói sâu dưới 2m. Hồ xói lớn làm giảm diện tích tiếp xúc giữa đập và nền, ảnh hưởng tiêu cực đến ổn định trượt.

3. Vận tốc dòng chảy trên mặt hạ lưu đập: Tính toán cho thấy vận tốc dòng chảy trên mặt hạ lưu đập cao 50m có thể đạt tới 26 m/s, vượt quá vận tốc cho phép 19,2 m/s, dẫn đến nguy cơ xói lở bề mặt hạ lưu đập.

4. So sánh hai phương pháp tính toán ổn định: Phương pháp trạng thái giới hạn và phương pháp cân bằng giới hạn cho kết quả tương đồng về hệ số an toàn, tuy nhiên phương pháp cân bằng giới hạn cho phép phân tích chi tiết hơn về các mặt trượt phức tạp và ảnh hưởng của tải trọng đặc biệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm giảm hệ số an toàn là do áp lực thủy lực tăng cao khi nước tràn qua đỉnh đập, kết hợp với sự xuất hiện của hồ xói làm giảm diện tích tiếp xúc giữa đập và nền móng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về sự cố đập bê tông trọng lực như đập Austin (Mỹ) và đập Vajont (Ý), nơi hiện tượng tràn nước và xói lở hạ lưu đã gây ra sự cố nghiêm trọng.

Việc vận tốc dòng chảy vượt quá giới hạn cho phép trên mặt hạ lưu đập làm tăng nguy cơ xói lở bề mặt, đòi hỏi các biện pháp tiêu năng hiệu quả hơn. So sánh hai phương pháp tính toán cho thấy việc áp dụng đồng thời cả hai tiêu chuẩn giúp đánh giá toàn diện hơn về an toàn đập, đặc biệt trong các trường hợp sự cố bất thường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa cột nước tràn và hệ số an toàn chống trượt, bảng kích thước hồ xói theo chiều cao đập và lưu lượng tràn, cũng như biểu đồ vận tốc dòng chảy trên mặt hạ lưu đập.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cao công tác khảo sát địa chất và thiết kế tiêu năng: Chủ đầu tư và đơn vị thiết kế cần tăng cường khảo sát địa chất hạ lưu để xác định khả năng xói lở, đồng thời thiết kế hệ thống tiêu năng phù hợp nhằm giảm vận tốc dòng chảy và hạn chế hồ xói trong vòng 1-2 năm tới.

2. Áp dụng đồng thời hai phương pháp tính toán ổn định: Các kỹ sư thiết kế và quản lý vận hành nên sử dụng cả tiêu chuẩn Nga - Việt và tiêu chuẩn Mỹ để đánh giá an toàn đập, đảm bảo tính chính xác và toàn diện trong vòng 6 tháng.

3. Xây dựng quy trình vận hành hồ chứa linh hoạt: Ban quản lý hồ chứa cần thiết lập quy trình vận hành điều tiết nước hợp lý, đặc biệt trong mùa mưa lũ, nhằm hạn chế hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập, giảm áp lực thủy lực lên công trình trong vòng 1 năm.

4. Thường xuyên kiểm tra, bảo trì và gia cố đập: Các cơ quan quản lý cần tổ chức kiểm tra định kỳ, phát hiện sớm các dấu hiệu xói lở, nứt nẻ và thực hiện gia cố kịp thời, đặc biệt tại chân đập và khu vực hạ lưu, nhằm duy trì hệ số an toàn trên mức cho phép trong vòng 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi và thủy điện: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán ổn định đập bê tông trọng lực, giúp thiết kế công trình an toàn và hiệu quả.

2. Chuyên gia quản lý vận hành hồ chứa: Thông tin về ảnh hưởng của hiện tượng tràn nước và hồ xói hỗ trợ xây dựng quy trình vận hành phù hợp, giảm thiểu rủi ro sự cố.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình thủy: Tài liệu chi tiết về các phương pháp tính toán, phân tích ổn định và các trường hợp thực tế giúp nâng cao kiến thức chuyên môn.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về thủy lợi và phòng chống thiên tai: Luận văn cung cấp dữ liệu và giải pháp kỹ thuật phục vụ công tác quản lý, giám sát và lập kế hoạch phòng chống rủi ro thiên tai liên quan đến đập.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập bê tông trọng lực không tràn nước có phổ biến không?
   Hiện tượng này không phổ biến nhưng đã xảy ra tại một số đập như Hồ Hô (Hà Tĩnh) năm 2010, gây ra áp lực thủy lực lớn và xói lở hạ lưu, đe dọa an toàn công trình.

2. Hồ xói hạ lưu ảnh hưởng như thế nào đến ổn định đập?
   Hồ xói làm giảm diện tích tiếp xúc giữa đập và nền móng, làm giảm hệ số an toàn chống trượt và có thể dẫn đến trượt hoặc lật đập khi hồ xói xâm nhập vào chân đập.

3. Phương pháp tính toán nào phù hợp để đánh giá ổn định đập bê tông trọng lực?
   Nên áp dụng đồng thời phương pháp trạng thái giới hạn (tiêu chuẩn Nga - Việt) và phương pháp cân bằng giới hạn (tiêu chuẩn Mỹ) để có đánh giá toàn diện và chính xác.

4. Làm thế nào để giảm vận tốc dòng chảy trên mặt hạ lưu đập?
   Thiết kế hệ thống tiêu năng hiệu quả, như bậc thang tiêu năng hoặc hố tiêu năng, giúp tiêu hao năng lượng dòng chảy, giảm vận tốc và hạn chế xói lở.

5. Quy trình vận hành hồ chứa cần lưu ý gì để đảm bảo an toàn đập?
   Cần điều tiết lưu lượng nước hợp lý, đặc biệt trong mùa mưa lũ, mở cửa van kịp thời để tránh hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập và giảm áp lực thủy lực lên công trình.

Kết luận

• Đập bê tông trọng lực đóng vai trò quan trọng trong thủy lợi và thủy điện, với số lượng ngày càng tăng tại Việt Nam và thế giới.
• Hiện tượng tràn nước qua đỉnh đập không tràn nước tuy ít gặp nhưng có ảnh hưởng nghiêm trọng đến ổn định và an toàn đập.
• Hồ xói hạ lưu là yếu tố làm giảm hệ số an toàn chống trượt, đặc biệt khi xâm nhập vào chân đập.
• Áp dụng đồng thời hai phương pháp tính toán tiêu chuẩn Nga - Việt và Mỹ giúp đánh giá chính xác hơn về ổn định đập.
• Cần triển khai các giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả khai thác đập trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Luận văn đề xuất các bước tiếp theo bao gồm khảo sát địa chất chi tiết, thiết kế tiêu năng tối ưu, xây dựng quy trình vận hành hồ chứa linh hoạt và kiểm tra, bảo trì định kỳ đập. Đề nghị các cơ quan, đơn vị liên quan áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao an toàn công trình thủy lợi và thủy điện.