I. Tổng quan Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hồ chứa nước Tân Sơn
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế hồ chứa nước Tân Sơn – Phương án 3 là một công trình nghiên cứu khoa học chuyên sâu, thuộc ngành Kỹ thuật Công trình Thủy. Mục tiêu chính của dự án là khai thác hiệu quả nguồn nước từ suối Tân Sơn để phục vụ tưới tiêu cho 1050 ha đất canh tác, cắt lũ cho vùng hạ lưu, và góp phần phát triển kinh tế - xã hội tại huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận (tài liệu gốc ghi Ninh Thuận, không phải hồ chứa nước Phú Thọ). Công trình này được xếp vào cấp II theo QCVN 0405 – 2012, với tuổi thọ thiết kế là 80 năm, đòi hỏi một quy trình thiết kế chặt chẽ và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế TCVN. Đồ án không chỉ là một bài toán kỹ thuật mà còn là giải pháp tổng thể, cải thiện đời sống người dân và môi trường sinh thái. Thuyết minh đồ án tốt nghiệp trình bày chi tiết từ việc phân tích điều kiện tự nhiên, lựa chọn phương án công trình, đến thiết kế kỹ thuật từng hạng mục. Các hạng mục chính bao gồm đập đất ngăn sông, tràn xả lũ, và cống lấy nước, tất cả được bố trí hợp lý để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành. Việc lựa chọn phương án tối ưu dựa trên sự so sánh về kinh tế, kỹ thuật và tính khả thi trong thi công, thể hiện năng lực phân tích và tổng hợp của kỹ sư công trình thủy.
1.1. Giới thiệu mục tiêu và nhiệm vụ của công trình thủy lợi
Nhiệm vụ trọng tâm của dự án hồ chứa nước Tân Sơn là giải quyết bài toán an ninh nguồn nước cho khu vực. Cụ thể, dự án hướng đến: 1) Cung cấp nước tưới tự chảy, ổn định cho 1050 ha đất nông nghiệp, chuyển đổi cơ cấu cây trồng từ một vụ bấp bênh sang hai vụ năng suất cao. 2) Cắt giảm lũ hiệu quả cho vùng hạ lưu sông Quao, bảo vệ tài sản và tính mạng của người dân tại 8 xã huyện Ninh Phước. 3) Góp phần phát triển kinh tế địa phương thông qua việc nâng cao giá trị sản xuất nông nghiệp và tạo tiềm năng phát triển du lịch sinh thái. 4) Cải thiện môi trường, cân bằng hệ sinh thái và bổ sung nguồn nước ngầm cho vùng dự án. Đây là một công trình thủy lợi đa mục tiêu, có ý nghĩa chiến lược đối với sự phát triển bền vững của địa phương.
1.2. Điều kiện tự nhiên và dân sinh kinh tế tại khu vực dự án
Khu vực dự án thuộc xã Phước Vinh, huyện Ninh Phước, có đặc điểm địa hình bán sơn địa, bị chia cắt bởi nhiều suối và đồi. Điều kiện khí hậu khắc nghiệt với lượng mưa trung bình năm thấp (khoảng 850mm) nhưng lại tập trung vào một mùa, gây ra tình trạng thiếu nước vào mùa khô và lũ lụt vào mùa mưa. Về kinh tế, người dân chủ yếu sống dựa vào nông - lâm nghiệp với năng suất chưa cao do phụ thuộc vào nước trời. Đặc điểm dân sinh cho thấy đời sống còn nhiều khó khăn, tỷ lệ hộ nghèo cao. Việc xây dựng hồ chứa nước Tân Sơn được kỳ vọng sẽ tạo ra một cú hích lớn, thay đổi bộ mặt kinh tế, ổn định sản xuất và nâng cao chất lượng sống cho cộng đồng các dân tộc trong vùng.
1.3. Phân tích các phương án và lựa chọn tuyến công trình tối ưu
Trong giai đoạn thiết kế cơ sở, đồ án đã đề xuất và phân tích ba phương án bố trí cụm công trình đầu mối (Phương án I, II, và III). Mỗi phương án có ưu và nhược điểm riêng về chiều dài tuyến đập, diện tích lưu vực, khối lượng đào đắp và điều kiện địa chất nền. Phương án III được lựa chọn để triển khai thiết kế kỹ thuật chi tiết sau khi so sánh. Phương án này có chiều dài đập chính 620m, diện tích lưu vực 86km², tối ưu hóa được khối lượng đất đắp và có điều kiện nền móng thuận lợi hơn so với các phương án khác. Quy trình thiết kế hồ chứa đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng giữa các yếu tố kỹ thuật và kinh tế để đảm bảo tính hiệu quả và bền vững lâu dài cho công trình.
II. Phân tích điều kiện địa hình địa chất khi thiết kế hồ chứa
Công tác khảo sát địa hình địa chất là nền tảng cốt lõi, quyết định đến sự thành công và an toàn của toàn bộ dự án thiết kế hồ chứa nước Tân Sơn. Việc phân tích kỹ lưỡng các dữ liệu khảo sát giúp xác định vị trí tối ưu cho các hạng mục công trình, đánh giá chính xác khả năng chịu tải của nền móng và dự báo các rủi ro tiềm ẩn. Địa chất khu vực tuyến đập khá phức tạp, bao gồm các lớp trầm tích Đệ Tứ, đá gốc nứt nẻ và các tầng phong hóa có độ dày khác nhau. Điều này đòi hỏi phải có các giải pháp xử lý nền móng phù hợp để đảm bảo an toàn đập và chống thấm hiệu quả. Các kết quả khảo sát cho thấy nền đập chính của phương án được chọn có cấu tạo tốt, lớp cuội sỏi chỉ xuất hiện ở phạm vi lòng suối, hai vai đập là tầng đá gốc ít thấm nước, là một ưu điểm lớn. Từ các bản đồ địa hình tỷ lệ 1:5000, các đường đặc tính Z~V (cao trình ~ dung tích) và F~Z (diện tích ~ cao trình) của hồ chứa được xây dựng, làm cơ sở cho các bước tính toán thủy văn và điều tiết hồ sau này.
2.1. Kết quả khảo sát địa chất công trình và đặc trưng cơ lý đất
Kết quả khảo sát địa chất chi tiết tại tuyến đập cho thấy nền công trình bao gồm nhiều lớp đất đá với chỉ tiêu cơ lý khác nhau. Lớp trên cùng là đất á sét, á cát bở rời, bên dưới là tầng cuội sỏi lẫn cát dày và tầng đá gốc phong hóa. Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền và vật liệu đắp đập được xác định trong phòng thí nghiệm, là dữ liệu đầu vào quan trọng cho việc phân tích ổn định và tính toán thấm bằng các phần mềm chuyên dụng như phần mềm Geo-Slope hoặc phần mềm Plaxis. Việc nắm rõ các đặc trưng này giúp lựa chọn vật liệu đắp đập phù hợp, thiết kế mái dốc hợp lý và dự toán khối lượng xử lý nền một cách chính xác, đảm bảo công trình làm việc an toàn trong suốt quá trình vận hành.
2.2. Đánh giá khả năng giữ nước và nguy cơ sạt lở bờ hồ chứa
Khả năng giữ nước của lòng hồ là yếu tố sống còn đối với một hồ chứa. Phân tích địa chất cho thấy xung quanh lòng hồ là các dãy núi cao cấu tạo từ đá xâm nhập và đá trầm tích ít nứt nẻ, có khả năng cách nước tốt, giảm thiểu nguy cơ thấm mất nước sang các lưu vực lân cận. Về nguy cơ sạt lở, bờ hồ có độ dốc tương đối thoải, tầng phủ không quá dày và thảm thực vật còn khá tốt. Do đó, khả năng sạt lở bờ hồ được đánh giá ở mức thấp. Tuy nhiên, trong quy trình quản lý vận hành hồ chứa, việc quan trắc và theo dõi biến dạng bờ hồ vẫn cần được thực hiện thường xuyên để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình và vùng hạ du.
III. Hướng dẫn tính toán thủy văn thủy lực cho hồ chứa nước
Việc tính toán thủy văn và tính toán thủy lực là hai hợp phần không thể thiếu trong đồ án thiết kế hồ chứa nước Tân Sơn, quyết định các thông số kích thước và quy mô của công trình. Dựa trên chuỗi số liệu mưa và dòng chảy nhiều năm, đồ án đã xác định được các đặc trưng dòng chảy thiết kế, dòng chảy lũ với các tần suất khác nhau (P=1% cho lũ thiết kế, P=0.2% cho lũ kiểm tra). Các thông số quan trọng như mực nước chết (MNC), mực nước dâng bình thường (MNDBT) được tính toán cẩn thận. MNC được xác định dựa trên điều kiện cao trình tưới tự chảy và dung tích chứa bùn cát trong 75-80 năm. MNDBT được xác định qua phương trình cân bằng nước, cân đối giữa lượng nước đến, nhu cầu dùng nước và các tổn thất do bốc hơi, thấm. Kết quả từ các tính toán này là cơ sở để thiết kế dung tích hữu ích của hồ, xác định kích thước tràn xả lũ và khả năng cấp nước của công trình.
3.1. Quy trình xác định mực nước chết và mực nước dâng bình thường
Theo thuyết minh đồ án, cao trình Mực nước chết (MNC) được chọn là giá trị lớn hơn giữa hai điều kiện: cao trình bùn cát lắng đọng và cao trình đảm bảo tưới tự chảy. Tính toán cho thấy MNC của hồ chứa Tân Sơn được xác định là +30.50m. Trong khi đó, Mực nước dâng bình thường (MNDBT) được xác định thông qua bài toán điều tiết hồ chứa theo phương trình cân bằng nước, với tần suất dòng chảy đến là 80%. Sau khi tính toán lặp, có kể đến tổn thất do bốc hơi và thấm, cao trình MNDBT được xác định là +35.53m, tương ứng với dung tích toàn bộ hồ là 14,026.10^6 m³. Đây là những thông số vận hành cơ bản, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của công trình thủy lợi.
3.2. Phương pháp tính toán điều tiết lũ cho tràn xả lũ hiệu quả
Bài toán điều tiết lũ nhằm xác định khả năng xả lũ của công trình, đảm bảo an toàn đập khi có lũ lớn. Đồ án đã sử dụng phương pháp tính toán điều tiết qua đập tràn, với đường quá trình lũ đầu vào được xây dựng từ công thức cường độ giới hạn. Quá trình tính toán được thực hiện cho cả hai trường hợp lũ thiết kế (P=1%) và lũ kiểm tra (P=0.2%). Kết quả cho thấy với thiết kế tràn xả lũ có chiều rộng 18m, mực nước lũ thiết kế dâng lên đến cao trình +37.29m và mực nước lũ kiểm tra là +38.65m. Các cao trình này được dùng để xác định cao trình đỉnh đập, đảm bảo đập không bị nước tràn qua đỉnh trong mọi tình huống.
3.3. Áp dụng công thức tính toán dòng chảy bùn cát và năm thiết kế
Dòng chảy bùn cát là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ của hồ chứa. Đồ án đã tính toán tổng dung tích bùn cát bồi lắng trong 75 năm, bao gồm cả bùn cát lơ lửng và bùn cát di đẩy. Kết quả cho thấy tổng dung tích bùn cát khoảng 272,471 m³, tương ứng với cao trình lắng đọng bùn cát là +25.84m. Thông số này là cơ sở quan trọng để xác định cao trình MNC và ngưỡng của cống lấy nước. Bên cạnh đó, việc lựa chọn dòng chảy năm thiết kế (P=80%) và phân phối dòng chảy theo các tháng trong năm điển hình giúp mô phỏng chính xác quá trình vận hành cấp nước của hồ, đảm bảo đáp ứng đủ nhu cầu tưới tiêu ngay cả trong những năm ít nước.
IV. Bí quyết thiết kế kỹ thuật đập đất đồng chất và cống lấy nước
Thiết kế kỹ thuật chi tiết các hạng mục công trình đầu mối là phần cốt lõi của đồ án. Đập đất đồng chất được lựa chọn làm kết cấu chính do tận dụng được vật liệu tại chỗ, giảm chi phí xây dựng. Cao trình đỉnh đập được xác định là +39.70m, dựa trên mực nước lũ kiểm tra và các hệ số an toàn về sóng, gió theo TCVN 8216-2018. Bề rộng đỉnh đập là 6m, đủ để bố trí đường quản lý vận hành. Mái đập thượng lưu và hạ lưu được thiết kế với hệ số mái phù hợp để đảm bảo ổn định. Các giải pháp kỹ thuật quan trọng như thiết bị thoát nước thân đập (lăng trụ đá, tầng lọc ngược) và gia cố bảo vệ mái (tấm bê tông cốt thép) được trình bày chi tiết. Bên cạnh đó, cống lấy nước và tràn xả lũ cũng được thiết kế cẩn thận, đảm bảo khả năng làm việc ổn định và an toàn. Các bản vẽ kỹ thuật công trình được thể hiện rõ ràng bằng phần mềm AutoCAD Civil 3D.
4.1. Xác định các kích thước cơ bản của kết cấu đập đất đồng chất
Chiều cao lớn nhất của đập là 24.7m. Hệ số mái thượng lưu được chọn là m=3.0, và mái hạ lưu là m=2.5. Để tăng cường ổn định, một cơ đập rộng 4m được bố trí ở mái hạ lưu tại cao trình +25m. Các kích thước này không chỉ dựa trên công thức kinh nghiệm mà còn được kiểm tra lại bằng các bài toán phân tích ổn định trong các trường hợp tải trọng khác nhau (tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt). Cấu tạo thân đập bao gồm lõi chống thấm, vùng chuyển tiếp và vỏ đập, sử dụng các loại đất có chỉ tiêu cơ lý phù hợp được khai thác từ các mỏ vật liệu gần công trình.
4.2. Thiết kế chi tiết công trình tràn xả lũ và cống lấy nước
Tràn xả lũ được thiết kế với hình thức tràn có cửa van, mặt cắt ngưỡng tràn dạng Ophyxeroov để tối ưu hóa khả năng thoát lũ. Các bộ phận như dốc nước, bể tiêu năng và kênh dẫn hạ lưu được tính toán thủy lực chi tiết để chống xói lở và đảm bảo dòng chảy ổn định. Cống lấy nước là công trình kết cấu bê tông cốt thép, được đặt xuyên qua thân đập, có nhiệm vụ cung cấp nước cho hệ thống kênh tưới. Khẩu diện cống được tính toán để đảm bảo lưu lượng thiết kế với tổn thất cột nước nhỏ nhất. Các chi tiết như tháp van, khớp nối và thiết bị đóng mở được lựa chọn theo tiêu chuẩn hiện hành.
4.3. Biện pháp gia cố bảo vệ mái đập và thiết bị thoát nước thân đập
Để chống lại tác động của sóng và mưa, mái thượng lưu được bảo vệ bằng các tấm bê tông đổ tại chỗ dày 8cm, đặt trên lớp lọc ngược gồm sỏi dăm và cát. Phạm vi gia cố từ đỉnh đập xuống dưới MNC 2.5m. Mái hạ lưu được gia cố đơn giản hơn bằng cách trồng cỏ, kết hợp hệ thống rãnh thoát nước mặt để chống xói mòn. Thiết bị thoát nước thân đập, bao gồm lăng trụ đá ở lòng sông và hệ thống thoát nước áp mái ở sườn đồi, có vai trò hạ thấp đường bão hòa, giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng cường ổn định cho mái hạ lưu, đảm bảo an toàn đập lâu dài.
V. Cách phân tích ổn định và tính thấm bằng phần mềm Plaxis
Để đánh giá an toàn đập, việc phân tích ổn định và tính toán thấm là bắt buộc. Đồ án đã ứng dụng các phần mềm địa kỹ thuật tiên tiến như phần mềm Geo-Slope (với các modul SEEP/W cho bài toán thấm và SLOPE/W cho bài toán ổn định) hoặc phần mềm Plaxis để mô hình hóa và phân tích. Các trường hợp tính toán nguy hiểm nhất được xem xét, bao gồm: cuối thời kỳ thi công, hồ tích nước đến MNDBT, và trường hợp nước rút nhanh. Dữ liệu đầu vào là các mặt cắt địa chất, đặc trưng cơ lý của đất nền và vật liệu đắp, cùng với các điều kiện biên thủy lực. Việc sử dụng phần mềm không chỉ tăng độ chính xác mà còn cho phép trực quan hóa đường bão hòa, cung trượt và hệ số an toàn, giúp các kỹ sư đưa ra quyết định thiết kế tối ưu nhất. Kết quả phân tích phải đảm bảo hệ số an toàn ổn định [K] lớn hơn giá trị cho phép theo TCVN 8216–2018.
5.1. Mô hình hóa bài toán ổn định mái đập và tính toán thấm
Quá trình mô hình hóa bắt đầu bằng việc xây dựng mặt cắt hình học của đập và nền trên phần mềm. Các lớp vật liệu được gán các thuộc tính cơ lý tương ứng. Điều kiện biên thủy lực được thiết lập với mực nước thượng lưu là MNDBT và mực nước hạ lưu theo điều kiện thực tế. Bài toán thấm được giải trước để xác định đường bão hòa và phân bố áp lực nước lỗ rỗng. Kết quả này sau đó được sử dụng làm đầu vào cho bài toán phân tích ổn định theo các phương pháp cân bằng giới hạn (ví dụ: Bishop, Janbu). Các cung trượt tiềm năng được phân tích để tìm ra cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất.
5.2. Kết quả phân tích ổn định và hệ số an toàn đập theo TCVN
Kết quả tính toán từ phần mềm cho thấy các hệ số an toàn ổn định của mái đập trong mọi trường hợp tính toán đều lớn hơn hệ số an toàn cho phép quy định trong tiêu chuẩn thiết kế TCVN (ví dụ, [K] ≥ 1.3 cho tổ hợp tải trọng cơ bản). Cụ thể, hệ số an toàn mái hạ lưu khi hồ tích nước đến MNDBT và mái thượng lưu khi nước rút nhanh đều thỏa mãn yêu cầu. Điều này khẳng định rằng mặt cắt thiết kế của đập đất đồng chất là hợp lý và đảm bảo an toàn đập trong suốt quá trình khai thác. Các kết quả này được trình bày rõ ràng trong thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
5.3. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật công trình bằng AutoCAD Civil 3D
Sau khi tất cả các thông số thiết kế được xác định và kiểm toán, bộ bản vẽ kỹ thuật công trình hoàn chỉnh được xây dựng bằng phần mềm AutoCAD Civil 3D. Các bản vẽ bao gồm: mặt bằng tổng thể công trình, các mặt cắt ngang, cắt dọc điển hình của đập đất, chi tiết cấu tạo tràn xả lũ, cống lấy nước, và các hạng mục phụ trợ khác. Việc sử dụng AutoCAD Civil 3D giúp tạo ra các bản vẽ chính xác, đồng bộ và dễ dàng cho việc triển khai biện pháp thi công sau này. Bộ bản vẽ là sản phẩm cuối cùng, thể hiện toàn bộ giải pháp thiết kế của đồ án.
