MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Đập là công trình ngăn và giữ nước được xây dựng từ hàng nghìn năm trước. Khi đập xảy ra sự cố vỡ, sẽ gây ra những thiệt hại to lớn về người, tài sản và hệ thống cơ sở hạ tầng. Theo Tạp chí Sông suối Quốc tế (International Rivers), tính đến 2021, thế giới có trên 57.000 đập chiều cao lớn hơn 15,0m; ghi nhận trên 2.000 sự cố vỡ đập, riêng trong thế kỷ 20, đã ghi nhận khoảng 200 sự cố vỡ đập, làm chết hơn 8.000 người và thiệt hại rất nhiều về tài sản.
Một số sự cố vỡ đập tiêu biểu trên thế giới như Sự cố đập Bản Kiều (tháng 8/1975); đập Âm Dương Khỏa (ngày 13/2/1983), đập Gleno (Italia, ngày 01/12/1923); đập Malpaset (Pháp, ngày 29/11/1959)… tại Việt Nam cũng ghi nhận một số sự cố như đập Suối Hành (Khánh Hòa – tháng 12/1986), đập Am Chúa (Khánh Hòa - tháng10/1989; tháng 10/1990), đập Ia Krel 2 (Gia Lai - ngày 2/6/2013), đập Đakrong 3 (Quảng Trị - tháng 10/2012), đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh – tháng 10/2014)… Vấn đề vỡ đập đã được các nhà nghiên cứu quan tâm từ sớm, các nghiên cứu tập trung vào quá trình hình thành và phát triển vết vỡ, công thức xác định lưu lượng qua vết vỡ (Qp), thời gian vỡ đập (t)… cho đập được xây dựng bằng vật liệu rời. Đối với đập bê tông quá trình vỡ đập xảy ra nhanh chóng, tức thời hình thành sóng gián đoạn tại hạ lưu, gây ra những tác động tiêu cực, đối với đập bê tông các nghiên cứu tập trung vào xác định các thông số của sóng gián đoạn. Các nghiên cứu thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau từ lý thuyết, mô hình thực nghiệm, mô hình bán thực nghiệm, mô hình số đến quan trắc, đo đạc thực tế. Bằng cách tiếp cận khác nhau, các nhà khoa học đã phát hiện và đi sâu phân tích các đặc tính của sóng gián đoạn tại hạ lưu như hình dạng sóng, quá trình truyền sóng, chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn.
Với phương pháp số, các lời giải gần đúng được đưa ra khi giả thiết điều kiện biên và bỏ qua một số yếu tố ảnh hưởng. Với mô hình vật lý và mô hình số, các nghiên cứu chưa xét đến yếu tố kích thước vết vỡ, 2 tương quan giữa hình dạng, kích thước vết vỡ với mực nước thượng lưu, hạ lưu và bề rộng lòng dẫn hạ lưu công trình. Các nghiên cứu thực hiện trên mô hình 2D bị giới hạn về không gian mô phỏng, kích thước vết vỡ, nghiên cứu trường hợp đập bị vỡ toàn bộ chiều cao đập mà chưa xét đến các trường hợp đập vỡ một phần chiều cao. Thiết bị mô phỏng vỡ đập được di chuyển từ dưới lên bằng hệ thống ray và ròng rọc, ảnh hưởng đến dòng chảy ban đầu khi vỡ đập.
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho đến nay chưa đề cập đến sóng gián đoạn xuất hiện tại thượng lưu khi vỡ đập. Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm trên mô hình vật lý, thiết lập và mô phỏng bài toán bằng phần mềm Flow-3D, luận án sẽ tập trung nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện tiếp các nghiên cứu trước đây trong tính toán, phân tích về các đặc trưng của sóng gián đoạn khi vỡ đập có kể tới các yếu tố: sự thay đổi kích thước vết vỡ; sự biến đổi mực nước thượng, hạ lưu trong không gian ba chiều. Từ đó, mô tả hình dạng, quá trình truyền sóng, mối quan hệ giữa chiều dài sóng với bề rộng sóng; Thiết lập mối tương quan xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn có độ chính xác tốt, tiếp cận với thực tế. Việc xác định các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập giúp chúng ta biết được phạm vi, mức độ ảnh hưởng, thời gian truyền sóng, khi công trình xảy ra sự cố.
Đồng thời giúp các nhà quản lý, hoạch định thấy được bức tranh khái quát hơn khi ra quyết định đầu tư xây dựng dự án nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng đến hạ du. Do đó, nghiên cứu đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập là cấp thiết và có tính khoa học, thực tiễn. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Phân tích, mô tả hình dạng, sự lan truyền và phạm vi ảnh hưởng của sóng gián đoạn tại thượng lưu vết vỡ (hồ chứa); chế độ dòng chảy, hình dạng, sự lan truyền sóng gián đoạn tại hạ lưu vết vỡ (lòng dẫn hạ lưu); - Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao sóng ban đầu với kích thước vết vỡ và mực nước thượng lưu, hạ lưu khi vỡ đập; 3 - Xây dựng mối tương quan, xác định hệ số lưu lượng của dòng chảy qua vết vỡ mf theo các kịch bản kích thước vết vỡ khác nhau. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Khi xảy ra sự cố vỡ đập, dạng vật liệu xây dựng đập sẽ quyết định hình dạng vết vỡ, quá trình hình thành và phát triển vết vỡ.
Đối với đập vật liệu địa phương (như đập đất, đập đá, đập đất đá hỗn hợp.) tốc độ mở rộng vết vỡ diễn ra trong một thời gian T nhất định, khi đó lưu lượng sẽ thoát dần qua vết vỡ xuống hạ lưu gây ra ngập lụt trên diện rộng vùng hạ du. Đối với đập bê tông (đập vòm, đập bê tông trọng lực, đập bê tông đầm lăn.) khi xảy ra sự cố đập sẽ bị vỡ và phá hủy trong một thời gian rất ngắn, tại thời điểm vỡ đập một lượng lưu lượng lớn đột ngột chuyển qua vết vỡ xuống hạ lưu gây ra các thiệt hại lớn về người và tài sản. Do đó, vỡ đập bê tông có sức tàn phá và nguy hơn hơn vỡ đập vật liệu địa phương. - Đối tượng nghiên cứu là dòng chảy khi vỡ đập bê tông.
- Phạm vi nghiên cứu: + Không xét đến sự biến hình lòng dẫn. + Kênh hạ lưu đáy bằng, hệ số mái kênh m=1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Tổng hợp và phân tích các vấn đề liên quan đến nội dung nghiên cứu; các phương pháp mô phỏng vết vỡ, thu thập số liệu, thiết lập công thức tính toán các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập. - Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý: Thiết kế, xây dựng và thí nghiệm trên mô hình vật lý về sự cố vỡ đập bê tông với các phương án khác nhau nhằm thu được đặc trưng sóng gián đoạn.
- Phương pháp nghiên cứu bằng số trị (Mô hình toán): Thiết kế, xây dựng mô hình vỡ đập bằng phần mềm Flow-3D; tính toán với các kịch bản khác nhau nhằm phân tích, xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn. 4 - Phương pháp phân tích số liệu thực nghiệm: Sử dụng các phần mềm chuyên dụng về xử lý số liệu nhằm thiết lập các quan hệ từ số liệu thực nghiệm (Phần mềm IBM SPSS Statistics 20); - Phương pháp chuyên gia: Trao đổi, xin ý kiến các chuyên gia, các nhà khoa học, nhà quản lý để làm sáng tỏ, bổ sung các vấn đề nghiên cứu. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tổng quan các nghiên cứu đã có trong nước và quốc tế. Phân tích đánh giá những thành tựu, hạn chế; đưa ra định hướng nghiên cứu cho luận án.
- Phân tích cơ sở lý thuyết, ứng dụng phương pháp Buckingham thiết lập phương trình thực nghiệm; lựa chọn các biến độc lập có ảnh hưởng chính đến các đặc trưng sóng gián đoạn khi vỡ đập; - Nghiên cứu các đặc trưng dòng chảy (hình dạng, sự truyền sóng, chế độ dòng chảy) khi vỡ đập. - Thiết lập công thức, đồ thị biểu thị mối tương quan giữa hệ số lưu lượng của dòng chảy qua vết vỡ, chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn với các đại lượng hình học của vết vỡ, có xét đến sự ảnh hưởng của mực nước hạ lưu và bề rộng lòng dẫn. - Kiểm tra sự phù hợp của công thức do luận án thiết lập bằng số liệu thực tế (sự cố vỡ đập Gleno, Italia), nhằm đánh giá mức độ sai số, độ tin cậy của các công thức do luận án thiết lập. Ứng dụng công thức của luận án, tính thử cho công trình thực tế tại Việt Nam (Hồ chứa nước Sông Chò 1, Tỉnh Khánh Hòa).
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 6. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án đã làm sáng tỏ thêm quy luật của dòng chảy khi vỡ đập bê tông; đã xác định, lượng hóa được ảnh hưởng của kích thước vết vỡ, chiều rộng lòng dẫn, mực nước hạ lưu tới khả năng thoát lũ qua vết vỡ và chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn khi vỡ đập. Các kết quả của luận án, góp phần hoàn thiện và 5 làm phong phú hơn các hiểu biết về sóng gián đoạn sinh ra khi vỡ đập bê tông; là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu các vấn đề khác có liên quan đến sự cố vỡ đập. Ý nghĩa thực tiễn Luận án đã cung cấp cơ sở thực tiễn, cụ thể hóa được hình dạng sóng gián đoạn tại thượng, hạ lưu công trình và sự truyền sóng vỡ đập một cách trực quan, cùng với các công thức, đồ thị, sơ đồ xác định được hệ số lưu lượng qua vết vỡ, chiều cao ban đầu, phạm vi lan truyền của sóng gián đoạn khi vỡ đập, là công cụ giúp các đơn vị tư vấn, các cơ quan, đơn vị quản lý thuận lợi trong tính toán các đại lượng đặc trưng của dòng chảy khi sự cố vỡ đập xảy ra.
Hình dạng và đặc trưng sóng gián đoạn thượng lưu, hạ lưu vết vỡ giúp xác định được phạm vi ảnh hưởng lớn nhất khi xảy ra sự cố vỡ đập. Các kết quả của luận án có thể dùng để tham khảo trong nghiên cứu, tính toán thiết kế cho các công trình tháo gặp sự cố như vỡ cửa van, vỡ phai chắn. giúp khoanh vùng phạm vi dự kiến ảnh hưởng, đưa ra các cảnh báo, đảm bảo an toàn cho dân cư và các công trình liên quan. Giúp các nhà quản lý, vận hành đưa ra kế hoạch ứng phó, hành động chủ động, phù hợp, đảm bảo an toàn về người và tài sản khi công trình xảy ra sự cố, từ đó giúp giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN (1) Luận án đã phát hiện, mô tả được đặc tính của sóng nghịch dương phía thượng lưu vết vỡ. (2) Luận án đã thiết lập được mối tương quan, công thức xác định các đặc trưng sóng gián đoạn tại hạ lưu khi vỡ đập bê tông: hệ số lưu lượng (mf) theo công thức (3.7); Chiều cao lớn nhất của sóng gián đoạn khi chảy tự do theo công thức (3.11) và chảy ngập qua vết vỡ đập bê tông theo công thức (3.