Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hồ chứa nước Phước Quang – Phương án 1" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Quốc Khánh (ngành Kỹ thuật công trình thủy, Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, niên khóa 2017 – 2022) dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Thanh Hùng và PGS. Nguyễn Quang Hùng.

Về bối cảnh thực tiễn, vị trí dự kiến xây dựng hồ chứa nước Phước Quang nằm trên sông Trà Bương – một nhánh cấp 1 thuộc bờ hữu sông Kỳ Lộ, tỉnh Phú Yên. Đặc điểm dòng chảy sông Trà Bương có sự phân hóa mùa sâu sắc: vào mùa kiệt, dòng sông cạn thu hẹp chỉ còn rộng khoảng 10 – 20 m với độ sâu trung bình 0,5 m; ngược lại, vào mùa mưa lũ, lưu lượng dòng chảy lên cao mở rộng lòng sông ra hàng trăm mét với mực nước dâng từ 5 – 10 m, dòng chảy xiết gây xói lở. Khu vực hạ du gồm hai xã Xuân Phước, Xuân Quang và một phần thị trấn La Hai (huyện Đồng Xuân) có diện tích tự nhiên khoảng 23 km² với 15.000 ha đất canh tác đã khai phá lâu đời nhưng thường xuyên lâm vào tình trạng thiếu nước sản xuất nghiêm trọng. Do đó, việc xây dựng một hồ chứa nước điều tiết dòng chảy tại đoạn sông thắt hẹp tự nhiên là giải pháp công trình thiết yếu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo đề cương giao nhiệm vụ ngày 27/09/2021 bao gồm:

  1. Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu cơ bản về điều kiện tự nhiên (địa hình, địa mạo, khí tượng, thủy văn, địa chất công trình, địa chất thủy văn) và điều kiện dân sinh kinh tế của vùng dự án (chiếm 5% khối lượng đồ án).
  2. Tính toán các thông số cơ bản của hồ chứa: xác định quy mô, cấp bậc công trình, chỉ tiêu thiết kế; tính toán các mực nước đặc trưng gồm mực nước chết (MNC), mực nước dâng bình thường (MNDBT), mực nước lũ thiết kế (MNLTK) và mực nước lũ kiểm tra (MNLKT) (chiếm 15% khối lượng đồ án).
  3. Thiết kế kỹ thuật cụm công trình đầu mối: tính toán và thiết kế kỹ thuật đập đất ngăn dòng, đường tràn xả lũ và cống ngầm lấy nước tưới hạ lưu (chiếm 45% khối lượng đồ án).
  4. Thực hiện chuyên đề kỹ thuật chuyên sâu: tính toán nội lực và kết cấu bê tông cốt thép tường bên ngưỡng tràn bằng mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm SAP2000; tính toán khối lượng xây dựng và lập dự toán hạng mục tràn xả lũ (chiếm 35% khối lượng đồ án).

Đối tượng nghiên cứu là cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Phước Quang (Phương án 1).

  • Phạm vi không gian: Tuyến đầu mối đặt tại tọa độ 109°02'31'' kinh độ Đông và 13°17'29'' vĩ độ Bắc trên sông Trà Bương, thuộc địa phận xã Xuân Phước và Xuân Quang, huyện Đồng Xuân, tỉnh Phú Yên (cách thị trấn La Hai 15 km về phía Tây Nam và cách thị xã Tuy Hòa 60 km về phía Tây Bắc). Lưu vực hứng nước đến tuyến đập rộng 126 km², chiều dài sông chính là 26,2 km. Khu vực hưởng lợi trải dài gần 10 km dọc hai bên bờ sông với diện tích 23 km² (tọa độ từ 13°17'30'' đến 13°22'30'' vĩ độ Bắc và từ 109°02'31'' đến 109°06'40'' kinh độ Đông).
  • Phạm vi thời gian và chu kỳ làm việc: Nghiên cứu thực hiện trong 14 tuần (từ ngày 27/09/2021 đến khi nộp ngày 03/01/2022 và nghiệm thu ngày 07/01/2022). Chuỗi số liệu khí tượng thủy văn sử dụng các đặc trưng nhiều năm quan trắc tại khu vực Phú Yên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc loại hình đồ án thiết kế kỹ thuật công trình xây dựng thủy lợi. Đồ án áp dụng hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành cùng các công cụ mô hình hóa số:

  • Khung quy chuẩn và tiêu chuẩn thiết kế: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 04-05:2012/BNNPTNT (Công trình thủy lợi – Các quy định chủ yếu về thiết kế); Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4118:2012 (Hệ thống kênh tưới – Tiêu chuẩn thiết kế); Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9151:2012 (Công trình thủy lợi – Quy trình thiết kế cống ngầm); Giáo trình Kết cấu bê tông cốt thép của Trường Đại học Thủy lợi.
  • Phương pháp tính toán thủy văn và cân bằng nước hồ chứa: Phương pháp phân tích chuỗi thống kê xác suất dòng chảy nhiều năm với các hệ số phân tán $C_v = 0,45$, hệ số thiên lệch $C_s = 2C_v$; phương pháp điều tiết hồ chứa xác định dung tích chết, dung tích hữu ích và dung tích phòng lũ qua quan hệ đường đặc tính lòng hồ $Z \sim F$ và $Z \sim W$.
  • Phương pháp tính toán thủy lực: Công thức dòng đều Chezy – Manning; phương pháp giải tích đúng dần (thử dần) để xác định kích thước mặt cắt kênh lợi nhất về thủy lực, khẩu diện cống ngầm và độ mở cửa van công tác; phương pháp cộng trực tiếp tích phân từng đoạn vẽ đường mặt nước $C_I$ và đường nước đổ $b_I$ để xác định trạng thái, vị trí và chiều cao nước nhảy trong cống.
  • Phương pháp tính toán cơ học đất và kết cấu công trình: Phương pháp cân bằng giới hạn kiểm tra ổn định trượt phẳng và ổn định chống lật theo tiêu chuẩn công trình thủy công cấp II; phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) mô hình hóa kết cấu tấm vỏ không gian (Shell) làm việc trên nền đàn hồi Winkler (sử dụng hệ lò xo mặt Area Springs với hệ số nền $K_0 = 1,4 \cdot 10^5 \text{ kN/m}^3$) được thiết lập trên phần mềm SAP2000 V14; tính toán kiểm tra vết nứt bản đáy và bản mặt theo lý thuyết bê tông cốt thép. Ngoài ra, phần mềm Geoslope được sử dụng để phân tích trường thấm qua đập đất.
  • Nguồn dữ liệu phục vụ thiết kế: Bản đồ bình đồ địa hình lòng hồ tỷ lệ 1/5000, bình đồ cụ thể vùng tuyến đầu mối, các mặt cắt dọc và cắt ngang sông Trà Bương; tài liệu khảo sát địa chất hố khoan, địa tầng lớp phủ đệ Tứ và đá gốc vùng tuyến; chuỗi số liệu đo đạc khí tượng thủy văn (mưa, nhiệt độ, bốc hơi, gió) trạm khu vực Phú Yên; tài liệu khảo sát mỏ vật liệu xây dựng (đất đắp, cát, sỏi, đá).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Điều kiện tự nhiên

Chương 1 tổng hợp các điều kiện tự nhiên phục vụ thiết kế kỹ thuật. Về địa hình, khu vực nghiên cứu thuộc dạng núi cao bị chia cắt mạnh sườn dốc 30° – 45° và đồi thấp 50 m dốc 15° – 25°, chia làm hai dạng địa mạo chính: dạng bào xói bóc mòn (dãy núi bao quanh hồ như Hòn Cấm cao 207 m, Hòn Cao cao 148 m) và dạng tích tụ (thềm bồi tích sông gồm á sét, á cát, cuội sỏi). Đáy hồ có cao độ trung bình +23 m đến +24 m; các đường yên ngựa xung quanh đều ở cao độ trên +40 m. Tuyến đập chính có chiều dài từ 500 đến 600 m nằm tại vị trí thắt hẹp trước khi mở ra bình nguyên. Bờ tả có yên ngựa rộng, bằng phẳng thích hợp bố trí tràn xả lũ; bờ hữu thuận lợi bố trí cống lấy nước.

Về khí tượng thủy văn, lưu vực sông Trà Bương có lượng mưa trung bình năm $X_0 = 1500 \text{ mm}$, lớp dòng chảy $Y_0 = 610 \text{ mm}$, môđun dòng chảy $M_0 = 19,4 \text{ l/s/km}^2$, lưu lượng bình quân năm $Q_0 = 2,44 \text{ m}^3\text{/s}$, tổng lượng dòng chảy năm $W_0 = 77 \cdot 10^6 \text{ m}^3$. Lượng bốc hơi mặt hồ đạt 1182,5 mm/năm. Tốc độ gió thiết kế theo hướng Tây Nam (vuông góc đập) ứng với tần suất $P = 4%$ là 31 m/s, $P = 10%$ là 25 m/s, $P = 50%$ là 18 m/s; đà sóng ứng với mực nước dâng bình thường là 1,30 km, ứng với mực nước lũ là 1,42 km. Dòng chảy bùn cát lơ lửng đo được có hàm lượng $\rho_0 = 90 \text{ g/m}^3$, dung trọng bùn cát $\gamma_{bc} = 0,9 \text{ T/m}^3$.

Tần suất lũ $P$ (%) Lưu lượng đỉnh lũ $Q_{\text{max}}$ ($\text{m}^3\text{/s}$) Tổng lượng lũ $W_{\text{max}}$ ($10^6 \text{ m}^3$) Thời gian lũ $t$ (giờ)
0,2% (Lũ kiểm tra) 1313 55,0 30
0,5% 1197 50,5 30
1,0% (Lũ thiết kế) 1032 45,0 30
2,0% 915 39,2 30
5,0% 72,5 31,4 30
10,0% 58,1 25,6 30

Chương 2: Điều kiện dân sinh kinh tế, nhiệm vụ công trình

Chương 2 phân tích hiện trạng sản xuất nông nghiệp và sử dụng tài nguyên nước tại huyện Đồng Xuân. Vùng hưởng lợi gồm 15.000 ha đất canh tác lúa và hoa màu thuộc xã Xuân Phước, Xuân Quang và thị trấn La Hai thường xuyên bị hạn hán do các công trình thủy lợi hiện có quy mô nhỏ, tạm bợ, không đủ năng lực trữ và cấp nước trong mùa kiệt. Nhiệm vụ của công trình đầu mối hồ chứa Phước Quang được xác định gồm: cắt giảm lũ bảo vệ hạ du, trữ nước mùa mưa để cấp nước tưới tự chảy cho vùng hạ lưu với lưu lượng thiết kế cống $Q_{tk} = 1,79 \text{ m}^3\text{/s}$, đồng thời kết hợp cải tạo vi khí hậu và cấp nước sinh hoạt, công nghiệp.

Chương 3: Phương án công trình đầu mối

Chương 3 xác định quy mô kỹ thuật và các thông số mực nước đặc trưng:

  • Cấp công trình: Theo QCVN 04-05:2012, căn cứ vào dung tích hồ chứa và năng lực tưới phục vụ, cụm công trình đầu mối được phân loại là công trình cấp II (hệ số an toàn công trình $K_n = 1,15$, hệ số điều kiện làm việc $m = 1$, hệ số tổ hợp tải trọng $n_c = 1$).
  • Bố trí tổng thể đầu mối: Đập ngăn sông là đập đất đắp; tràn xả lũ bố trí ở eo yên ngựa bờ tả; cống lấy nước ngầm đặt dưới thân đập phía vai phải (bờ hữu).
  • Các mực nước hồ chứa: Cao trình bùn cát lắng đọng qua thời gian khai thác $Z_{bc} = +25,53 \text{ m}$; cao trình khống chế tưới tự chảy đầu kênh $Z_{kc} = +26,8 \text{ m}$; cao trình mực nước chết xác định $MNC = +27,3 \text{ m}$; cao trình mực nước dâng bình thường $MNDBT = +33,01 \text{ m}$ (dung tích ứng với MNDBT đạt khoảng 6,75 triệu $\text{m}^3$); các mực nước lũ dâng khi điều tiết lũ thiết kế và lũ kiểm tra được tính toán theo quan hệ đặc tính lòng hồ $Z \sim W$ và $Z \sim F$ từ cao trình +25 m đến +42 m.

Chương 4: Thiết kế đập đất

Nội dung chương trình bày việc thiết kế đập đất ngăn sông:

  • Xác định cao trình đỉnh đập từ các tổ hợp mực nước dâng cao nhất, chiều cao sóng leo và độ lưu không công trình cấp II.
  • Thiết kế mái đập thượng hạ lưu có bố trí cơ đập giảm độ dốc; thiết kế các thiết bị bảo vệ mái đập (lát đá hoặc tấm bê tông chống sóng cho mái thượng lưu, trồng cỏ thoát nước mái hạ lưu).
  • Bố trí thiết bị chống thấm cho thân và nền đập, thiết bị thoát nước thân đập (lăng trụ thoát nước hạ lưu) đảm bảo thu gom và hạ thấp đường bão hòa.
  • Tính toán thấm qua thân và nền đập đất cho mặt cắt lòng sông và mặt cắt sườn đồi ở các trường hợp MNDBT và MNL, xác định tổng lưu lượng thấm và kiểm tra ổn định thấm bằng phần mềm Geoslope.

Chương 5: Thiết kế đường tràn

Chương 5 tính toán thủy lực và kiểm tra ổn định công trình xả lũ:

  • Hình thức bố trí: Tràn xả lũ bề mặt tự do đặt ở eo yên ngựa bờ tả dẫn dòng qua dốc nước và tiêu năng đáy trước khi xả về suối.
  • Thủy lực tràn và tiêu năng: Xác định bề rộng ngưỡng tràn, hình dạng lưu tuyến ngưỡng tràn, tính toán khả năng tháo ứng với lũ thiết kế $P = 1%$ ($Q = 1032 \text{ m}^3\text{/s}$) và lũ kiểm tra $P = 0,2%$ ($Q = 1313 \text{ m}^3\text{/s}$); thiết kế dốc nước và kích thước bể tiêu năng đáy sau dốc nước.
  • Tính toán ổn định tường bên ngưỡng tràn/dốc nước: Tính toán cho hai trường hợp gồm trường hợp mới thi công xong (tổ hợp tải trọng thi công) và trường hợp vừa tháo lũ xong/nước rút đột ngột (tổ hợp tải trọng đặc biệt). Trong trường hợp tháo lũ xong, tổng lực đứng $G = 75,129 \text{ T}$, tổng lực ngang $P = 27,173 \text{ T}$, tổng mômen chống lật $M_{CL} = 210,048 \text{ T}\cdot\text{m}$, tổng mômen gây lật $M_{GL} = 75,188 \text{ T}\cdot\text{m}$.
    • Hệ số ổn định chống lật: $K_L = \frac{M_{CL}}{M_{GL}} = \frac{210,048}{75,188} = 2,79 > [K_L] = 1,15$.
    • Hệ số ổn định chống trượt phẳng: Với chiều rộng đáy $B = 6,5 \text{ m}$, hệ số ma sát $f = 0,65$, lực dính $C = 2,6 \text{ T/m}^2$, tính được $K_T = 2,42 > [K_T] = 1,15$. Kết cấu tường bên đảm bảo ổn định.

Chương 6: Thiết kế cống lấy nước

Chương 6 thiết kế chi tiết cống lấy nước dưới đập:

  • Hình thức và bố trí: Cống ngầm không áp bằng bê tông cốt thép M200, mặt cắt hình chữ nhật, đặt tại vai phải đập chính. Tháp van điều tiết đặt tại mái đập thượng lưu (gồm van sửa chữa và van công tác).
  • Thông số hình học và cao trình: Chiều dài toàn bộ cống $L = 64,54 \text{ m}$ (đoạn cửa vào đến tháp van $L_1 = 15 \text{ m}$, đoạn sau van đến cửa ra $L_2 = 49,54 \text{ m}$). Cao trình đáy cống tại cửa vào $Z_{cv} = +26,25 \text{ m}$ (nằm trên cao trình bùn cát $Z_{bc} = +25,53 \text{ m}$ và thấp hơn MNC 1,05 m); cao trình đáy kênh dẫn hạ lưu $Z_{đk} = +25,05 \text{ m}$. Bề rộng cống chọn $b_c = 1,1 \text{ m}$, chiều cao cống $H_c = 1,6 \text{ m}$ (đảm bảo chiều cao không gian sửa chữa $\ge 1,5 \text{ m}$ theo QCVN 04-05:2012).
  • Kênh dẫn hạ lưu cống: Lưu lượng thiết kế $Q_{tk} = 1,79 \text{ m}^3\text{/s}$, bề rộng đáy kênh $b_k = 2,3 \text{ m}$, độ sâu nước $h_h = 1,07 \text{ m}$, độ dốc $i = 0,00025$, mái kênh $m = 1,5$, hệ số nhám bê tông $n = 0,017$. Kiểm tra điều kiện không xói ứng với $Q_{\text{max}} = 2,06 \text{ m}^3\text{/s}$: lưu tốc $V_{\text{max}} = 0,49 \text{ m/s} < [V_{kx}] = 0,66 \text{ m/s}$, đạt yêu cầu ổn định.
  • Thủy lực dòng chảy trong cống: Tổn thất cột nước cho phép $[\Delta Z] = 0,5 \text{ m}$. Độ mở cửa van khi mực nước thượng lưu dâng cao xác định là $a = 0,23 \text{ m}$, độ sâu co hẹp sau van $h_c = 0,14053 \text{ m}$. Độ sâu phân giới dòng chảy $h_k = 0,646 \text{ m}$, độ sâu dòng đều $h_0 = 1,01 \text{ m}$. Vì $h_c < h_k < h_0$, đường mặt nước sau van là đường dâng $C_I$.
  • Phân tích nước nhảy trong cống: Tính toán đường nước dâng $C_I$ kết hợp đường nước đổ $b_I$ xác định tại vị trí cách cửa van $L = 45,90 \text{ m}$ ($< L_{tt} = 49,218 \text{ m}$), đường mặt nước cắt đường phân giới $h_k$ làm xuất hiện nước nhảy ngay trong thân cống. Tuy nhiên, chiều cao nước nhảy không chạm đỉnh trần cống nên không gây hiện tượng áp suất chân không rung động nguy hiểm.

Chương 7: Tính toán chuyên đề kỹ thuật bằng SAP 2000 - Tính toán kết cấu bê tông cốt thép tường bên ngưỡng tràn

Chương 7 sử dụng phần mềm SAP2000 V14 mô hình hóa không gian tường chắn bê tông cốt thép góc chữ L có sườn chống:

  • Thông số vật liệu: Bê tông M200 có dung trọng $\gamma_{bt} = 2,4 \text{ T/m}^3$, môđun đàn hồi $E_0 = 2,4 \cdot 10^7 \text{ kN/m}^2$, hệ số Poisson $\mu = 0,2$, cường độ nén $R_n = 90 \text{ daN/cm}^2$, cường độ kéo $R_k = 7,5 \text{ daN/cm}^2$. Cốt thép nhóm CII có cường độ chịu kéo $R_a = R_a' = 2700 \text{ daN/cm}^2$, môđun đàn hồi $E_a = 2,1 \cdot 10^5 \text{ daN/cm}^2$.
  • Thông số đất đắp và nền: Đất đắp sau tường có dung trọng bão hòa $\gamma_{bh} = 1,96 \text{ T/m}^3$, góc ma sát trong $\varphi_{bh} = 18^\circ$, lực dính $C_{bh} = 1,6 \text{ T/m}^2$. Đất nền có hệ số đàn hồi $K_0 = 1,4 \cdot 10^5 \text{ kN/m}^3$.
  • Mô hình PTHH: Kết cấu được rời rạc hóa bằng các phần tử tấm vỏ Shell; mặt đáy gán liên kết đàn hồi Area Springs; gán tải trọng áp lực đất (ALĐ) lên bản mặt/sườn và trọng lượng đất (TLĐ) lên bản đáy.
  • Kết quả nội lực chính:
    • Bản mặt tường chắn: Cắt theo phương ngang (M11) cách đáy 4,5 m có mômen dương lớn nhất $M_{\text{max}} = 15,02 \text{ kN}\cdot\text{m}$, mômen âm lớn nhất $M_{\text{max}} = 1,41 \text{ kN}\cdot\text{m}$. Cắt theo phương đứng (M22) giữa hai sườn tại tọa độ $x = 2 \text{ m}$ có mômen dương lớn nhất $M_{\text{max}} = 8,10 \text{ kN}\cdot\text{m}$, mômen âm lớn nhất $M_{\text{max}} = 71,37 \text{ kN}\cdot\text{m}$.
    • Bản đáy tường chắn: Theo phương ngang (M11) tại dải cắt $y = 2,5 \text{ m}$ xuất hiện mômen dương lớn nhất $M_{\text{max}} = 237,57 \text{ kN}\cdot\text{m}$ và mômen âm lớn nhất $M_{\text{max}} = 29,84 \text{ kN}\cdot\text{m}$.
  • Kiểm tra an toàn: Tính toán bố trí cốt thép và kiểm tra vết nứt tại tiết diện bản đáy nối tiếp với bản mặt cùng mặt cắt bản mặt, kết quả chiều rộng vết nứt nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu công trình thủy lợi cấp II.

Chương 8: Khối lượng và dự toán hạng mục công trình

Chương 8 thực hiện bóc tách khối lượng xây lắp và lập dự toán xây dựng chi tiết cho hạng mục công trình tràn xả lũ:

  • Khối lượng đào đất đá hố móng tràn, khối lượng đắp đất mang tràn và đắp hoàn trả mặt bằng.
  • Khối lượng kết cấu bê tông, bê tông cốt thép M200 của ngưỡng tràn, dốc nước, tường cánh và bể tiêu năng.
  • Lập bảng dự toán chi phí xây dựng theo định mức kinh tế kỹ thuật chuyên ngành thủy lợi.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Phước Quang (Phương án 1). Các kết quả định lượng cốt lõi gồm:

Bộ phận / Hạng mục Thông số kỹ thuật thiết kế Giá trị định lượng Đơn vị tính
Hồ chứa Cao trình mực nước chết ($MNC$) +27,30 m
Cao trình mực nước dâng bình thường ($MNDBT$) +33,01 m
Cao trình bùn cát lắng đọng ($Z_{bc}$) +25,53 m
Dung tích trữ nước ứng với MNDBT 6,75 triệu $\text{m}^3$
Lưu lượng xả lũ kiểm tra ($P = 0,2%$) 1313 $\text{m}^3\text{/s}$
Cống lấy nước Lưu lượng thiết kế tưới ($Q_{tk}$) 1,79 $\text{m}^3\text{/s}$
Kích thước mặt cắt thông thủy ($b_c \times H_c$) $1,10 \times 1,60$ m
Chiều dài cống ($L = L_1 + L_2$) $64,54 \text{ (15,00 + 49,54)}$ m
Cao trình đáy cửa vào cống ($Z_{cv}$) +26,25 m
Độ mở cửa van khống chế ($a$) 0,23 m
Kênh hạ lưu cống Kích thước đáy kênh ($b_k$) và cột nước ($h_h$) $2,30 \text{ và } 1,07$ m
Lưu tốc chảy lớn nhất ($V_{\text{max}} < [V_{kx}] = 0,66$) 0,49 m/s
Ổn định tràn xả lũ Hệ số ổn định chống lật ($K_L > [K_L] = 1,15$) 2,79 Lần
Hệ số ổn định chống trượt ($K_T > [K_T] = 1,15$) 2,42 Lần
Kết cấu tường tràn Mômen uốn đáy lớn nhất ($M_{11\text{ max}}$ bản đáy) 237,57 $\text{kN}\cdot\text{m}$
Mômen uốn dọc lớn nhất ($M_{22\text{ max}}$ bản mặt) 71,37 $\text{kN}\cdot\text{m}$

Về giải pháp công trình, tác giả đề xuất bố trí đập đất ngăn sông kết hợp tuyến tràn bề mặt tự do tại bờ tả và cống ngầm không áp tại vai phải đập chính. Cống được trang bị tháp van kép (van công tác và van sửa chữa) tại thượng lưu để chủ động khống chế lưu lượng cấp về kênh chính dài 1,2 km.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc cụ thể hóa phương án kỹ thuật xử lý chế độ thủy lực phức tạp sau van cống lấy nước. Tác giả đã chứng minh và định vị được vùng xuất hiện nước nhảy trong thân cống ($L = 45,90 \text{ m}$ sau van), đồng thời kiểm tra xác nhận sóng nhảy không va chạm đỉnh trần cống ($H_c = 1,6 \text{ m}$), giúp đảm bảo an toàn vận hành chống xâm thực và rung chấn. Bên cạnh đó, việc áp dụng mô hình phần tử hữu hạn bản vỏ 3D trên nền đàn hồi trong phần mềm SAP2000 thay cho các phương pháp tính dải phẳng đơn giản hóa truyền thống đã nâng cao độ tin cậy trong đánh giá phân bố nội lực và kiểm tra nứt cho kết cấu tường chắn bê tông cốt thép của tràn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, tác giả tự nhận định do thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp giới hạn trong 14 tuần và điều kiện tài liệu thực tế, đồ án chưa thể khảo sát và tính toán sâu sắc toàn bộ các kịch bản bất lợi có thể xảy ra trong suốt vòng đời công trình (như tổ hợp tải trọng động đất, sự cố kẹt cửa van hay diễn biến ngấm - xói ngầm nền đập khi mực nước rút cực nhanh). Đồ án mới chỉ tập trung tính toán kết cấu chi tiết cho một bộ phận đơn lẻ là tường bên dốc nước của tràn xả lũ và lập dự toán cho riêng hạng mục tràn.

Về hướng nghiên cứu tiếp theo từ phạm vi công trình:

  • Mở rộng phân tích trường thấm và độ ổn định mái dốc đập đất bằng các mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến hai chiều và ba chiều trong các điều kiện làm việc ngặt nghèo (mực nước hồ rút đột ngột trong mùa lũ, tác động của động đất kích động).
  • Thực hiện thiết kế kỹ thuật và tính toán kết cấu chi tiết cho tháp van điều tiết, thân cống ngầm dưới đập và toàn bộ tuyến kênh chính cấp 1 (kênh N1, N2) sau cống.
  • Tính toán bóc tách khối lượng và lập tổng mức dự toán hoàn chỉnh cho toàn bộ các hạng mục thuộc cụm công trình đầu mối hồ chứa Phước Quang.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên đại học và học viên cao học thuộc các ngành Kỹ thuật công trình thủy, Kỹ thuật tài nguyên nước và Xây dựng công trình thủy lợi khi thực hiện đồ án môn học Công trình Thủy công hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế cụm đầu mối hồ chứa nước quy mô vừa và nhỏ.

Những nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao trong đồ án gồm:

  • Quy trình tích hợp phương pháp tính toán thủy lực cống ngầm không áp (Chương 6): các bước lập bảng giải tích đúng dần để xác định khẩu diện, quy trình vẽ đường mặt nước $C_I$ và $b_I$ bằng phương pháp cộng trực tiếp và kỹ thuật xác định vị trí nước nhảy trong cống.
  • Quy trình mô hình hóa kết cấu thủy công bằng phần mềm SAP2000 (Chương 7): các bước khai báo phần tử Shell, cách thức gán áp lực đất theo hàm Joint Patterns và gán độ cứng lò xo nền đàn hồi Winkler (Area Springs) mô phỏng tương tác giữa bản đáy công trình thủy lợi với nền đất đắp/nền thiên nhiên.

Câu hỏi thường gặp

Tuyến công trình đầu mối hồ chứa Phước Quang được lựa chọn tại vị trí nào và thuộc cấp công trình bao nhiêu?
Tuyến công trình được đặt trên sông Trà Bương (nhánh hữu sông Kỳ Lộ) tại tọa độ 109°02'31'' kinh độ Đông và 13°17'29'' vĩ độ Bắc, thuộc địa phận xã Xuân Phước và Xuân Quang, huyện Đồng Xuân, tỉnh Phú Yên. Căn cứ theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 04-05:2012, công trình đầu mối được phân cấp thiết kế là công trình cấp II.

Cống lấy nước có quy cách kích thước hình học ra sao và phục vụ nhiệm vụ gì?
Cống lấy nước là dạng cống ngầm không áp bằng bê tông cốt thép M200 đặt tại vai phải đập chính, có nhiệm vụ cấp nước tưới tự chảy cho 15.000 ha đất canh tác với lưu lượng thiết kế $Q_{tk} = 1,79 \text{ m}^3\text{/s}$. Cống có chiều rộng thông thủy $b_c = 1,1 \text{ m}$, chiều cao $H_c = 1,6 \text{ m}$, tổng chiều dài $L = 64,54 \text{ m}$ (đoạn cửa vào đến van dài 15 m, đoạn sau van dài 49,54 m), cao trình đáy cửa vào là +26,25 m.

Hiện tượng thủy lực đặc thù nào xuất hiện trong thân cống ngầm và tác giả đã kiểm tra như thế nào?
Khi mực nước hồ dâng cao ở mức nước dâng bình thường, cửa van chỉ mở một phần ($a = 0,23 \text{ m}$) khiến dòng chảy sau van ở trạng thái chảy xiết với độ sâu co hẹp $h_c = 0,14053 \text{ m} < h_k = 0,646 \text{ m}$. Đường mặt nước phát triển theo dạng đường dâng $C_I$ và xuất hiện hiện tượng nước nhảy tại vị trí cách cửa van $L = 45,90 \text{ m}$ (nằm trong thân cống). Kết quả tính toán khẳng định chiều cao nước nhảy không chạm đỉnh trần cống ($H_c = 1,6 \text{ m}$), loại trừ nguy cơ xuất hiện vùng chân không gây rung chấn kết cấu.

Kết quả kiểm tra ổn định trượt và lật của tường bên ngưỡng tràn trong trường hợp sau khi tháo lũ đạt bao nhiêu?
Trong tổ hợp tải trọng đặc biệt (vừa tháo lũ xong, mực nước rút đột ngột), tường bên ngưỡng tràn đạt hệ số an toàn chống lật $K_L = 2,79$ (lớn hơn hệ số an toàn cho phép $[K_L] = 1,15$) và hệ số an toàn chống trượt phẳng $K_T = 2,42$ (lớn hơn $[K_T] = 1,15$). Do đó, kết cấu tường chắn đảm bảo đầy đủ các điều kiện ổn định theo quy chuẩn.

Mô hình tính toán kết cấu tường bên tràn xả lũ trên phần mềm SAP2000 được thiết lập với các thông số nền và vật liệu nào?
Mô hình sử dụng phần tử tấm vỏ Shell gán vật liệu bê tông M200 (dung trọng $24 \text{ kN/m}^3$, môđun đàn hồi $E = 2,4 \cdot 10^7 \text{ kN/m}^2$, hệ số Poisson 0,2) và cốt thép nhóm CII ($R_a = 2700 \text{ daN/cm}^2$). Tương tác bản đáy với nền đất được mô phỏng thông qua liên kết mặt nền đàn hồi Area Springs với hệ số nền đất $K_0 = 1,4 \cdot 10^5 \text{ kN/m}^3$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hồ chứa nước Phước Quang – Phương án 1" của sinh viên Nguyễn Quốc Khánh đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế công trình thủy lợi cấp II phục vụ cấp nước tưới và cắt lũ cho huyện Đồng Xuân, tỉnh Phú Yên. Bản thuyết minh phản ánh quy trình tính toán kỹ thuật chuẩn mực từ phân tích chuỗi khí tượng thủy văn, xác định thông số hồ chứa đến thiết kế chi tiết các hạng mục đập đất, tràn xả lũ và cống ngầm. Các kết quả kiểm tra ổn định công trình và phân tích nội lực kết cấu bằng mô hình phần tử hữu hạn số đạt độ tin cậy khoa học cao, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của một đồ án tốt nghiệp kỹ sư công trình thủy.