Nghiên cứu các Đặc trưng sóng gián Đoạn khi vỡ Đập bê tông chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy

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 x

BÙI VĂN HỮU

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN KHI VỠ ĐẬP BÊ TÔNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BÙI VĂN HỮU

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN KHI VỠ ĐẬP BÊ TÔNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, thông tin tham khảo từ các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn đúng quy định

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2024

Tác giả luận án

Bùi Văn Hữu

Luận án này được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực - Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Để thực hiện luận án này, tôi đã nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ, động viên rất nhiều từ các thầy hướng dẫn, đơn vị công tác, cơ sở đào tạo, các nhà khoa học, đồng nghiệp, cùng người thân, bạn bè

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học GS.TS Lê Văn Nghị, PGS.TS Nguyễn Nghĩa Hùng đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, cùng cán bộ khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Thủy lực; Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển; Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện giúp

đỡ tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học thuộc các Bộ, Ngành, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Khoa học tự nhiên… và quý thầy cô trong các hội đồng, đã đóng góp nhiều

ý kiến quý báu, cung cấp các tài liệu để tôi hoàn thiện luận án

Đặc biệt tôi xin cảm ơn người bạn đời của tôi đã luôn thu xếp và lo toan các công việc gia đình, nuôi dạy các con để tôi yên tâm hoàn thành luận án

Và cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả thành viên đại gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án tiến sĩ kỹ thuật này

Tác giả

Bùi Văn Hữu

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

CÁC ĐỊNH NGHĨA DÙNG TRONG LUẬN ÁN xii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 4

6.1 Ý nghĩa khoa học 4

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 5

7 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 5

8 BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ SỰ CỐ VỠ ĐẬP VÀ SÓNG GIÁN ĐOẠN 7

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 7

1.1.1 Định nghĩa và phân loại đập 7

1.1.2 Định nghĩa và phân loại sự cố vỡ đập 8

1.1.3 Định nghĩa và phân loại sóng gián đoạn [4] 10

1.2 SỰ CỐ VỠ ĐẬP VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY VỠ ĐẬP 12

1.2.1 Sự cố vỡ đập 12

1.2.2 Nguyên nhân vỡ đập 18

1.3 NGHIÊN CỨU VỀ HÌNH DẠNG VẾT VỠ ĐẬP BÊ TÔNG 19

1.4 NGHIÊN CỨU VỀ VỠ ĐẬP VÀ SÓNG GIÁN ĐOẠN 21

1.4.2 Nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô hình vật lý 24

1.4.3 Nghiên cứu bằng mô hình số 30

1.5 LƯU LƯỢNG TỨC THỜI LỚN NHẤT THOÁT QUA VẾT VỠ 37

1.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC, HẠN CHẾ VÀ TỒN TẠI CỦA CÁC NGHIÊN CỨU 39

1.6.1 Những thành tựu đạt được 39

1.6.2 Các tồn tại và hạn chế 40

1.6.3 Hướng nghiên cứu của luận án 41

1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 41

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN KHI VỠ ĐẬP BÊ TÔNG 43

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG THOÁT QUA VẾT VỠ 43 2.1.1 Đặc điểm dòng chảy qua vết vỡ khi vỡ đập 43

2.1.2 Dạng công thức tính lưu lượng thoát qua vết vỡ 45

2.1.3 Phương pháp xác định hệ số lưu lượng thoát qua vết vỡ 45

2.2 LẬP PHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 45

2.2.1 Quy hoạch thực nghiệm 45

2.2.2 Lý thuyết thứ nguyên và định lý hàm Pi () 47

2.2.3 Lập phương trình nghiên cứu thực nghiệm 48

2.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 52

2.3.1 Mô hình vật lý 53

2.3.2 Mô hình số CFD 62

2.3.3 Sự kết hợp giữa mô hình vật lý và mô hình số CFD 72

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 72

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG GIÁN ĐOẠN 74

PHỎNG VỠ ĐẬP BÊ TÔNG TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 77

3.3 ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN TẠI THƯỢNG LƯU 82

3.3.1 Hình dạng và sự truyền sóng gián đoạn tại thượng lưu 83

3.3.2 Mối liên hệ giữa chiều dài, chiều rộng sóng gián đoạn tại thượng lưu 87

3.4 ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÁN ĐOẠN TẠI HẠ LƯU 91

3.4.1 Chế độ dòng chảy tại hạ lưu khi vỡ đập 91

3.4.2 Hình dạng sóng gián đoạn tại hạ lưu 97

3.4.3 Sự lan truyền sóng gián đoạn tại hạ lưu 101

3.5 THIẾT LẬP TƯƠNG QUAN, CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG GIÁN ĐOẠN 103

3.5.1 Công thức xác định lưu lượng thoát qua vết vỡ 103

3.5.2 Xác định chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn 108

3.6 KIỂM TRA SỰ PHÙ HỢP CÔNG THỨC QUA SỰ CỐ THỰC TẾ 118

3.6.1 Sự cố vỡ đập Gleno - Italia [57] 118

3.6.2 Thiết lập tính toán bằng mô hình số 121

3.6.3 Kiểm tra sự phù hợp công thức thiết lập trong luận án 122

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 126

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ 128

4.1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TRÌNH HỒ CHỨA NƯỚC SÔNG CHÒ 1 [27] 128

4.1.1 Thông tin chung 128

4.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của công trình 128

4.1.3 Quy mô, thông số kỹ thuật chủ yếu 129

4.1.3.2 Các công trình chính của cụm đầu mối 130

4.1.4 Cấu tạo địa chất khu vực công trình 132

4.1.5 Phân tích nguyên nhân có thể gây vỡ đập sông Chò 1 132

4.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CHIỀU CAO SÓNG KHI XẢY RA SỰ CỐ 134

4.3.2 Tính toán chiều cao sóng theo các dạng công thức 135

4.3.3 Tính toán chiều cao sóng theo các công thức của do luận án thiết lập 135

4.3.4 So sánh kết quả tính chiều cao sóng khi sử dụng công thức của các tác giả khác và của luận án 137

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 137

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139

1 KẾT LUẬN 139

1.1 Các kết quả đã đạt được của luận án 139

1.2 Các tồn tại và hạn chế của luận án 141

2 KIẾN NGHỊ 141

3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 151

PHỤ LỤC 152

PL.1 Giá trị độ sâu ngập, vận tốc dòng chảy hạ lưu tại x= 400m 152

PL.2 Lý thuyết hồi quy, phân tích và đọc kết quả hồi quy tuyến tính bội trong IBM SPSS Statistics 20 156

PL.3 Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý vỡ đập Sơn La 167

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại đập 8

Hình 1.2 Sơ đồ khi vỡ đập 9

Hình 1.3 Các thông số của vết vỡ (mặt cắt A-A) 10

Hình 1.4 Các loại sóng gián đoạn 11

Hình 1.5 Sóng gián đoạn truyền trên lòng dẫn trong sự cố vỡ đập Swar Chaung – Myannma năm 2018 12

Hình 1.6 Tỉ lệ vỡ đập trên thế giới qua các giai đoạn 13

Hình 1.7 Tỉ lệ vỡ đập tại các khu vực trên thế giới 13

Hình 1.8 Tỉ lệ vỡ đập theo nghiên cứu của Limin Zhang et al (2016) 14

Hình 1.9 Một số hình ảnh sau sự cố vỡ đập trên thế giới 16

Hình 1.10 Một số hình ảnh sau sự cố vỡ đập tại Việt Nam 17

Hình 1.11 Một số sự cố vỡ đập bê tông 20

Hình 1.12 Sơ đồ đặc trưng sóng vỡ đập trên kênh có độ dốc i =0 24

Hình 1.13 Các dạng sơ đồ bố trí thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm 26

Hình 1.14 Mặt cắt vết vỡ dạng hình chữ nhật 26

Hình 1.15 Mặt cắt vết vỡ dạng hình thang 26

Hình 1.16 Hệ thống ròng rọc nâng hạ tấm chắn tạo đập 27

Hình 1.17 Sóng gián đoạn được tạo ra khi sử dụng vật cản 28

Hình 1.18 Sóng gián đoạn được tạo ra khi không sử dụng vật cản 28

Hình 1.19 Hình dạng sóng thu được (a) từ ảnh chụp, (b) qua xử lý 29

Hình 1.20 Quá trình phát triển vết vỡ của đập Hòa Bình 29

Hình 1.21 Mô hình mô phỏng và so sánh kết quả thu được từ các mô hình mô phỏng [35] 33

Hình 1.22 So sánh mặt nước giữa thực đo RANS và SWE tại các thời điểm T 33

Hình 1.23 So sánh độ ngập sâu ban đầu với mố nhám hình thang A 34

Hình 1.24 So sánh kết quả (a) thực nghiệm với (b) mô hình số (ℎℎ/𝐻=0,1) 35

Hình 1.25 Sơ đồ truyền sóng gián đoạn ở hạ lưu lòng dẫn 36

Hình 2.1 Dòng chảy qua vết vỡ 44

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên MHVL của luận án 57

Hình 2.4 Mô hình vật lý vỡ đập bê tông 57

Hình 2.5 Máng lường đo lưu lượng vỡ đập đặt tại hạ lưu 58

Hình 2.6 Đập hình thang 60

Hình 2.7 Máy tính và thiết bị đo tín hiệu sóng gián đoạn 61

Hình 2.8 Gia công và lắp đặt thiết bị tạo vết vỡ 62

Hình 2.9 Thiết bị mô phỏng vỡ đập 62

Hình 2.10 Vận hành thiết bị 62

Hình 2.11 Các lựa chọn mô hình dòng rối 65

Hình 2.12 Sơ đồ các bước thực hiện mô hình Flow-3D 67

Hình 2.13 Các khu vực mô phỏng được thiết lập và tạo dựng trong phần mềm SketchUp 67

Hình 2.14 Phạm vi thiết lập mô phỏng trên mô hình Flow-3D 68

Hình 2.15 Phạm vi mô phỏng và miền lưới tính toán 68

Hình 2.16 Mặt bằng lưới tính toán 68

Hình 2.17 Điều kiện biên của mô hình 69

Hình 2.18 Vị trí xác định trên mô hình vật lý (MHVL) tại x=400m 71

Hình 2.19 Hình dạng sóng gián đoạn tại hạ lưu trên MHVL và Flow-3D 71

Hình 2.20 Độ sâu và lưu tốc dòng chảy tại điểm x=400m 71

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán các đặc trưng sóng gián đoạn 75

Hình 3.2 Hình dạng chia các khối 78

Hình 3.3 Hình dạng các khối đập được thi công và lắp dựng 78

Hình 3.4 Dòng chảy làm các khối đập di chuyển 79

Hình 3.5 Các khối đập bị trôi nhìn từ thượng lưu 79

Hình 3.6 Kết cấu tạo vết vỡ khi mô phỏng vỡ đập bê tông 81

Hình 3.7 Quá trình truyền sóng khi vỡ đập 83

Hình 3.8 Hình dạng sóng ở thượng lưu với B=0,5 và hf <=0,9 85

Hình 3.9 Sự lan truyền sóng gián đoạn tại thượng lưu 86

Hình 3.10 Cắt ngang hồ chứa tại X=0,25m 86

Hình 3.12 Mối quan hệ giữa X~T theo Y 88

Hình 3.13 Quá trình truyền sóng vỡ đập tại hạ lưu 103

Hình 3.14 Quá trình truyền sóng trên mô hình vật lý 103

Hình 3.15 Kiểm tra độ tin cậy của bộ số liệu sử dụng 106

Hình 3.16 Mạng Nơ ron nhân tạo các biến độc lập tác động lên mf 107

Hình 3.17 Mạng Nơ ron nhân tạo thể hiện quan hệ giữa các biến ℎℎ,𝐵, ℎ𝑤 112 Hình 3.18 Mối quan hệ giữa hw ~hh ứng với các trường hợp B khi dòng chảy qua vết vỡ là chảy tự do 113

Hình 3.19 Mạng Nơ ron nhân tạo thể hiện quan hệ giữa các biến hh,B, hw 116

Hình 3.20 Mối quan hệ giữa hw ~hh ứng với các trường hợp B khi dòng chảy qua vết vỡ là chảy ngập 117

Hình 3.21 Vị trí xây dựng đập 119

Hình 3.22 Mặt bằng và cắt ngang 2 phương án đập chính 119

Hình 3.23 Đập khi mới hoàn thành 120

Hình 3.24 Vị trí các vết vỡ sự cố đập Gleno- Italia 1923 120

Hình 3.25 Phần Gleno còn sót lại đến ngày nay 121

Hình 3.26 So sánh địa hình mô phỏng bằng DEM và địa hình thực tế 122

Hình 3.27 Vị trí mặt cắt trong nghiên cứu của Marco Pilotti và cs [57] 124

Hình 4.1 Phối cảnh đầu mối hồ chứa nước sông Chò 1 130

Hình 4.2 Hiện trạng công trình đầu mối HCN sông Chò 1- Tháng 6/2024 130

Bảng 1.1 Thống kê tỉ lệ nguyên nhân gây vỡ đập 18

Bảng 1.2 Nguyên nhân gây vỡ đập bê tông [55] 19

Bảng 1.3 Các thông số vết vỡ của đập bê tông [56] 20

Bảng 1.4 Công thức xác định lưu lượng lớn nhất thoát qua vết vỡ 38

Bảng 2.1 So sánh kết quả tính toán mô hình toán và mô hình vật lý 70

Bảng 3.1 Bảng các thông số xác định trên mô hình 74

Bảng 3.2 Các trường hợp và kịch bản nghiên cứu của luận án 76

Bảng 3.3 Bộ số liệu quan hệ X~ T 89

Bảng 3.4 Phân định chế độ chảy qua vết vỡ trường hợp hh=0 92

Bảng 3.5 Phân định chế độ chảy qua vết vỡ trường hợp hh>0 96

Bảng 3.6 Hình dạng sóng gián đoạn tại hạ lưu 98

Bảng 3.7 Kết quả hệ số lưu lượng qua vết vỡ ứng với một số trường hợp 104

Bảng 3.8 Kết quả tính toán, mô phỏng thông số vỡ đập Sơn La 105

Bảng 3.9 Tầm quan trọng của các biến độc lập trong quan hệ với mf 107

Bảng 3.10 Chiều cao sóng gián đoạn khi dòng chảy qua vết vỡ là dòng chảy tự do 109 Bảng 3.11 Tầm quan trọng của các biến độc lập tác động lên hw 112

Bảng 3.12 Giá trị các hệ số theo dạng hàm trong công thức xác định hw 114

Bảng 3.13 Chiều cao sóng gián đoạn khi dòng chảy qua vết vỡ là dòng chảy ngập 115

Bảng 3.14 Mức độ đóng góp của các biến độc lập tác động lên ℎ𝑤 116

Bảng 3.15 Giá trị các hệ số theo dạng hàm trong công thức xác định hw 118

Bảng 3.16 So sánh giá trị mực nước tại một số vị trí trên lòng dẫn hạ lưu 122

Bảng 3.17 Lưu lượng lớn nhất qua vết vỡ tính theo công thức luận án 125

Bảng 3.18 So sánh chiều cao sóng gián đoạn 125

Bảng 4.1 Thông số thủy văn và thông số hồ chứa của công trình 129

Bảng 4.3 Các thông số công trình hồ chứa nước sông Chò 1 133

Bảng 4.4 Các thông số kích thước vết vỡ giả định 134

Bảng 4.5 Chiều cao sóng gián đoạn hồ chứa nước sông Chò 1 135

Bảng 4.6 Kết quả tính toán chiều cao sóng lớn nhất 136

- Vỡ đập: là hiện tượng một con đập mất khả năng kiểm soát và giải phóng một lượng

nước “không thể chủ động khống chế được”

- Sóng liên tục là sự chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi chậm

- Sóng gián đoạn: là sự chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi nhanh

- Sóng đầu bẹt: là sóng do vỡ đập gây ra khi hạ lưu không có nước (hạ lưu khô), chiều

cao sóng hạ thấp dần từ vết vỡ đến vị trí khảo sát trên lòng dẫn

- Sóng thuận: là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy

- Sóng nghịch: là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy

- Sóng dương: là sóng truyền đi làm tăng cao độ mực nước dòng chảy

- Sóng âm: là sóng truyền đi làm giảm cao độ mực nước dòng chảy

- Sóng thuận – dương: là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy và làm tăng

cao độ mực nước dòng chảy

- Sóng thuận – âm: là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy và làm giảm

cao độ mực nước dòng chảy

- Sóng nghịch – dương: là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy và làm

tăng cao độ mực nước dòng chảy

- Sóng nghịch – âm: là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy và làm giảm

cao độ mực nước dòng chảy

- Sóng ban đầu: là sóng gián đoạn xuất hiện đầu tiên trên lòng dẫn

- Chiều dài sóng thượng lưu: là khoảng cách tính từ mép vết vỡ thượng lưu đến vị trí

đỉnh sóng trên lòng hồ tại thời điểm xác định

- Chiều dài sóng hạ lưu: là khoảng cách tính từ mép vết vỡ hạ lưu đến vị trí đỉnh sóng

trên lòng dẫn tại thời điểm xác định

- Bề rộng sóng: là khoảng cách giữa 2 mép ngoài cùng của sóng gián đoạn tại thời

điểm xác định, tính theo phương vuông góc với chiều dòng chảy

- Chiều cao ban đầu sóng gián đoạn: là chiều cao sóng lớn nhất khi bắt đầu xuất hiện

trên kênh hạ lưu

- Tỷ lệ vỡ đập: là số đập xảy ra sự cố so với số đập đã xây dựng được thống kê tại

cùng một thời điểm

- F : Ngoại lực tác dụng lên khối nước (N);

- H : Cột nước thượng lưu, độ chênh giữa mực nước thượng lưu trước

khi vỡ đập với đáy lòng dẫn, H = ZTL - Zđ (m), đã xét đến lưu tốc tới gần

- H* : Cột nước thượng lưu sau khi vỡ đập, độ chênh giữa mực nước

thượng lưu sau khi vỡ đập với đáy lòng dẫn, H = Z*

TL - Zđ (m), đã xét đến lưu tốc tới gần

- Hđ : Chiều cao đập; Tính từ cao trình đỉnh đập đến cao trình đáy lòng

dẫn (m) H = Zdd - Zd (m);

- Hf : Chiều cao cột nước trên vết vỡ; Tính từ cao trình mực nước thượng

lưu đến cao trình đáy vết vỡ, Hf = ZTL - Zf (m);

- hf : Chiều cao vết vỡ (tính từ cao trình đỉnh đập đến cao trình đáy vết

vỡ, hf = Zdd - Zf) (m);

- hh : Độ sâu mực nước hạ lưu (độ sâu dòng chảy hạ lưu trước khi vỡ

đập hh = Zh - Zd (m);

- hw : Chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn (m);

- h : Chênh mực nước thượng hạ lưu (h=ZTL-Zh) (m);

- Lsd : Chiều dài sóng gián đoạn thượng lưu tại thời điểm T

- Lsn : Bề rộng sóng gián đoạn thượng lưu tại thời điểm T

- m : Hệ số lưu lượng qua công trình (-);

- mf : Hệ số lưu lượng qua vết vỡ (-);

ngưỡng tràn với cao trình đáy kênh thượng lưu) (m);

- Qp : Lưu lượng qua vết vỡ tại thời điểm vỡ đập (m3/s);

- t : Thời gian truyền sóng (s);

- tf : Thời gian vỡ đập- đối với đập bê tông (s);

Thời gian phát triển vết vỡ - đối với đập vật liệu địa phương

- us : Vận tốc truyền sóng gián đoạn (m/s);

- Vf : Thể tích khối nước trên vết vỡ (m3);

- Vl : Thể tích hồ chứa (m3);

- v1 : Vận tốc dòng chảy sau khi sóng gián đoạn đi qua (m/s);

- v2 : Vận tốc dòng chảy ban đầu (khi đập chưa vỡ) (m/s);

- vs : Vận tốc lớn nhất của sóng gián đoạn (m/s)

- x, y, z : Tọa độ theo các phương dọc, ngang và đứng;

- Zd : Cao trình đáy lòng dẫn (m);

- Zdd : Cao trình đỉnh đập (m);

- Zds : Cao trình đỉnh sóng gián đoạn lớn nhất (m);

- Zf : Cao trình đáy vết vỡ (m);

- Zh : Cao trình mực nước hạ lưu (m);

- ZTL : Cao trình mực nước thượng lưu (m);

- 𝑇 : Hệ số thời gian tương đối của quá trình vỡ đập;

- 𝐵 : Hệ số chiều rộng tương đối của vết vỡ;

- ℎ𝑓 : Hệ số chiều chiều cao tương đối của vết vỡ;

- ℎℎ : Hệ số chiều sâu tương đối của mực nước hạ lưu;

- ℎ𝑤 : Hệ số chiều rộng tương đối của sóng gián đoạn;

- s : Chiều dài bước sóng do dòng chảy qua vết vỡ gây ra tại hạ lưu

công trình (m);

- 1; 2 : Diện tích mặt cắt ướt trước và sau khi sóng gián đoạn đi qua (m2);

- cs : Cộng sự;

- 2D : Mô hình 2 chiều;

- 3D : Mô hình 3 chiều;

- CT : Công thức;

- ICOLD : Hội đập lớn thế giới;

- MARD : Bộ Nông Nghiệp và phát triển Nông thôn;

- MHVL : Mô hình vật lý;

- MOIT : Bộ Công Thương;

- NĐ-CP : Nghị định - Chính phủ;

- TCKT : Tiêu chuẩn kỹ thuật;

- TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam;

- SPSS : Phần mềm IBM SPSS Statistics 20;

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,

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

2 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;

- 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

3 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

4 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

- 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

5 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)

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

6.1 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

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

6.2 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

7 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 (3.5), (3.7); Chiều cao lớn nhất của sóng gián đoạn khi chảy tự do theo công thức (3.10), (3.11) và chảy ngập qua vết vỡ đập bê tông theo công thức (3.13), (3.14) (3) Đề xuất phương pháp mô phỏng vỡ đập bê tông bằng “Hệ thống thiết bị mô phỏng quá trình vỡ đập bê tông”

Chương 2 Cơ sở khoa học xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn khi vỡ đập

bê tông: Trình bày cơ sở lý thuyết tính toán lưu lượng thoát qua vết vỡ; thiết lập phương trình quy hoạch thực nghiệm; cơ sở lý thuyết, cơ sở toán học nghiên cứu trên

mô hình vật lý, mô hình số Flow-3D

Chương 3 Xác định các đặc trưng của sóng gián đoạn: Thiết lập kịch bản thí nghiệm, tính toán Phân tích một số đặc trưng sóng gián đoạn tại hồ chứa thượng lưu (hình dạng, sự lan truyền và mối quan hệ giữa chiều dài sóng với bề rộng sóng); một

số đặc trưng sóng gián đoạn trên lòng dẫn hạ lưu (chế độ dòng chảy, hình dạng và quá trình truyền sóng), từ kết quả trên mô hình vật lý, tính toán bằng mô hình Flow-3D, sử dụng phần mềm SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) của IBM, phân tích dữ liệu và thiết lập công thức thực nghiệm xác định: hệ số lưu lượng qua vết vỡ (mf) và chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn tại hạ lưu khi vỡ đập bê tông (hw) Kiểm tra sự phù hợp của công thức do luận án thiết lập bằng số liệu thực tế thông qua sự cố vỡ đập Gleno- Italia, nhằm đánh giá mức độ sai số của công thức thiết lập Chương 4 Áp dụng tính toán cho công trình thực tế: Luận án lựa chọn công trình

hồ chứa nước sông Chò 1, tỉnh Khánh Hòa làm công trình ứng dụng để tính toán Công trình hồ chứa nước sông Chò 1 Áp dụng tính toán chiều cao sóng lớn nhất khi

vỡ đập bằng công thức của các tác giả khác và công thức do luận án thiết lập với các kịch bản giả định kích thước vết vỡ khác nhau trong trường hợp xảy ra sự cố vỡ đập

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ SỰ CỐ VỠ ĐẬP

VÀ SÓNG GIÁN ĐOẠN

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 hậu quả rất to lớn về con người, tài sản và môi

trường Để giảm thiểu các thiệt hại do vỡ đập gây ra, từ khi đập được xây dựng, con

người đã quan tâm đến vấn đề vỡ đập, nghiên cứu để tìm ra nguyên nhân gây vỡ, xác

định các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự cố vỡ đập Trong chương 1 này, luận án sẽ

tập trung phân tích các kết quả nghiên cứu nổi bật, xác định được phương pháp và

mô hình nghiên cứu thích hợp, xác định đặc trưng hình dạng vết vỡ, phân tích các

hạn chế, tồn tại của nghiên cứu đã có và đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

1.1.1 Định nghĩa và phân loại đập

+ Định nghĩa: Đập là công trình được xây dựng để dâng nước hoặc cùng các công

trình có liên quan tạo hồ chứa nước [27]

+ Phân loại: Có rất nhiều cách phân loại đập, tuy nhiên có một số cách phân loại

thông dụng như chế độ thủy lực (Hydraulic), theo vật liệu xây dựng đập (Materials),

theo cách sử dụng đập (Use) và theo cấu trúc đập (Structural), được thể hiện theo sơ

đồ như Hình 1.1 (Zaher Mundher Yaseen et al, 2020 [73])

Đối với đối tượng nghiên cứu đề cập trong luận nên chỉ chú tâm đến các phân loại

theo vật liệu xây dựng đập (Materials) theo đó Đập chia thành 2 loại: đập xây dựng

bằng vật liệu mềm - Non Rigid (như đập đất, đập đá, đập đất đá hỗn hợp hay còn

gọi là đập vật liệu địa phương) và đập xây bằng vật liệu rắn - Rigid (như đập bê tông,

đập thép, đập composit )

Đập bê tông là đập được xây dựng bằng bê tông Đập bê tông được phân thành các

loại: Đập bê tông trọng lực (Gravity dam), đập bê tông vòm (Arch dam), đập bê tông

bản chống (Buttress dam), Đập bê tông cốt thép

Tại Việt Nam, theo Nghị định 114/2018/NĐ-CP ngày 04/09/2018 của Chính phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nước, theo mức độ quan trọng và phạm vi ảnh hương của đập được chia thành 4 mức độ: Đập đặc biệt quan trọng, đập lớn, đập vừa và đập nhỏ [28]

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại đập 1.1.2 Định nghĩa và phân loại sự cố vỡ đập

+ Định nghĩa: Vỡ đập là hiện tượng một con đập mất khả năng kiểm soát và giải phóng một lượng nước “không thể chủ động kiểm soát được” [4], hay:

Vỡ đập là hiện tượng một con đập bị phá hủy, giải phóng đột ngột, nhanh chóng một khối lượng nước lớn xuống hạ du [39]

+ Phân loại: có nhiều cách để phân loại sự cố vỡ đập tuy nhiên cách phân loại theo vật liệu xây dựng đạp được sử dụng phổ biến là Vỡ đập vật liệu địa phương (đập đất,

đập đá), đập bê tông (đập bê tông trọng lực và đập bê tông vòm, đập bê tông cốt thép) [3], [26], [55]

Vỡ đập vật liệu địa phương là hiện tượng vỡ đập xảy ra với các đập được xây dựng bằng vật liệu hạt rời như đập đất, đập đá, đập đất đá hỗn hợp Tại thời điểm ban đầu, vỡ đập xảy ra tại một điểm ở đỉnh đập, sau đó phát triển theo chiều sâu, bề rộng của đập Tốc

độ mở rộng vết vỡ tuyến tính với thời gian xảy ra sự cố, cho tới khi kết thúc tại thời điểm

t = T (T là khoảng thời gian để vết vỡ đạt trạng thái ổn định, được gọi là thời gian vỡ đập)

Vỡ đập bê tông là hiện tượng vỡ các đập được xây bằng vật liệu bê tông như đập vòm, đập bê tông trọng lực, đập bê tông đầm lăn Theo thống kê vỡ đập bê tông đã xảy ra trên thế giới: đập vòm thường vỡ hoàn toàn; đập bê tông trọng lực ban đầu chỉ

vỡ một khoang hoặc một số khoang và kéo theo hai khoang kề bên cùng vỡ trong một thời gian ngắn, các khoang này không lật hoàn toàn mà bị xoay với một mức độ nhất định [4]

Sơ đồ vỡ đập được thể hiện trên Hình 1.2 [4], các thông số hình học của vết vỡ thể hiện chi tiết trên Hình 1.3

Hình 1.2 Sơ đồ khi vỡ đập [4]

Hình 1.3 Các thông số của vết vỡ (mặt cắt A-A) 1.1.3 Định nghĩa và phân loại sóng gián đoạn [4]

Đặc điểm sóng gián đoạn: Khi một con đập bị vỡ sẽ giải phóng đột ngột một lượng nước lớn xuống hạ lưu, sinh ra hiện dòng chảy mạnh, lưu tốc cao tạo thành các con sóng có chiều cao, bước sóng và độ dốc sóng lớn gọi là sóng gián đoạn Sóng gián đoạn có đặc điểm truyền đi rất nhanh và độ cao, mức độ chênh lệch so với mực nước trước khi xảy ra vỡ đập là rất lớn

+ Các định nghĩa về sóng:

Chuyển động sóng là chuyển động không ổn định trong lòng dẫn hở có quan hệ

với hiện tượng sóng nên có thể gọi chuyển động không ổn định

Sóng gián đoạn là sự chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi nhanh và

xuất hiện điểm “đứt gãy” trên hình dạng sóng

Sóng liên tục là sự chuyển động không ổn định có tính chất thay đổi chậm

Sóng thuận là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy

Sóng nghịch là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy

Sóng dương là sóng truyền đi làm tăng cao độ mực nước dòng chảy

Sóng âm là sóng truyền đi làm giảm cao độ mực nước dòng chảy

Sóng thuận – dương là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy và làm tăng

cao độ mực nước dòng chảy

Sóng thuận – âm là sóng truyền đi cùng chiều với chiều dòng chảy và làm giảm

cao độ mực nước dòng chảy

Sóng nghịch – dương là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy và làm

tăng cao độ mực nước dòng chảy

Sóng nghịch – âm là sóng truyền đi ngược chiều với chiều dòng chảy và làm giảm

cao độ mực nước dòng chảy

Sóng đầu bẹt là sóng do vỡ đập sinh ra trong trường hợp hạ lưu không có nước (hạ

lưu khô)

+ Phân loại sóng gián đoạn:

Dựa theo chiều di chuyển và tác động làm tăng hay giảm mực nước dòng chảy ban đầu để phân loại sóng gián đoạn.Theo đó sóng gián đoạn được chia thành 4 loại như

sau [4]: Sóng thuận - dương (Hình 1.4 a); Sóng nghịch - dương (Hình 1.4 b); Sóng

thuận - âm (Hình 1.4 c); Sóng nghịch - âm (Hình 1.4 d)

a Sóng thuận - dương b Sóng nghịch - dương

c Sóng thuận - âm d Sóng nghịch - âm

Hình 1.4 Các loại sóng gián đoạn [4]

Một số nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng: Sóng gián đoạn tại hồ chứa thượng lưu di chuyển ngược chiều dòng chảy, làm giảm mực nước hồ chứa là sóng nghịch – âm; Sóng gián đoạn trên lòng dẫn hạ lưu di chuyển cùng chiều với chiều dòng chảy,

làm tăng mực nước dòng chảy ban đầu là sóng thuận – dương Hình 1.5 là sóng gián đoạn sinh ra khi xảy ra sự cố vỡ đập Swar Chaung – Myanma (2018)

Hình 1.5 Sóng gián đoạn truyền trên lòng dẫn trong sự cố vỡ đập Swar

Chaung – Myannma năm 2018 [29]

1.2 SỰ CỐ VỠ ĐẬP VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY VỠ ĐẬP

1.2.1 Sự cố vỡ đập

Trên thế giới, tính đến năm 2021 đã ghi nhận trên 2.000 đập xảy ra sự cố lớn, riêng trong thế kỷ 20, ghi nhận khoảng 200 sự cố vỡ đập, làm chết hơn 8.000 người, gây nhiều thiệt hại về tài sản, hạ tầng và môi trường sinh thái [71]

1.2.1.1 Tỷ lệ vỡ đập

Tỉ lệ vỡ đập là số đập xảy ra sự cố so với tổng số đập đã xây dựng được thống kê cho cùng một đối tượng, tại cùng một thời điểm khảo sát

Thống kê tỉ lệ vỡ đập trên thế giới và các châu lục qua các giai đoạn cho thấy: Tỉ

lệ vỡ đập trên thế giới ngày càng giảm qua các thời kỳ từ 4,0% trước năm 1920 xuống còn 0,85% từ năm 1980 đến nay được thể hiện trên Hình 1.6

Hình 1.6 Tỉ lệ vỡ đập trên thế giới qua các giai đoạn

Tỉ lệ đập xảy ra sự cố là 0,01%; riêng đối với đập chứa chất thải tỉ lệ gặp sự cố là 0,1% Trung bình trên thế giới một năm có từ 3 đến 4 sự cố vỡ đập xảy ra Sự cố vỡ đập có sự chênh lệch giữa các châu lục, cao nhất là khu vực châu Á, chiếm tỉ lệ 33,38%; khu vực Bắc Mỹ chiếm tỉ lệ 30,16%; khu vực châu Âu chiếm tỉ lệ 24,38%; thấp nhất là khu vực châu Đại Dương chiếm tỉ lệ 2,66% Những khu vực có tỉ lệ vỡ đập cao là những khu vực có tốc độ xây dựng đập tăng nhanh, số lượng đập nhiều [32] Trong Hình 1.7, tỉ lệ vỡ đập là tỉ số giữa số đập bị vỡ tại mỗi khu vực so với tổng số đập bị vỡ trên thế giới

Hình 1.7 Tỉ lệ vỡ đập tại các khu vực trên thế giới

Tỉ lệ vỡ đập sẽ thay đổi theo các tiêu chí được xem xét, cụ thể: Xét theo chiều cao đập thì đập có chiều cao nhỏ hơn 15,0m có tỉ lệ gặp sự cố lớn nhất chiếm 62% (với đập nói chung) và chiếm 54% (với đập bê tông); Xét theo tuổi thọ đập, từ khi đập được xây dựng xong đến khi đập được 5 tuổi, khả năng gặp sự cố là cao nhất chiếm 15,9% (với đập nói chung) và chiếm 33% (với đập bê tông) xét theo khoảng thời gian xảy ra sự cố từ 1900 đến 1929 là khoảng thời gian đập bê tông có tỉ lệ gặp sự cố cao nhất là chiếm 34%, xét theo dung tích hồ chứa, hầu hết các đập gặp sự cố có dung tích nhỏ hơn 100 triệu m3 (được thể hiện tại Hình 1.8)[55]

Tỉ lệ vỡ đập phân theo chiều cao đập Tỉ lệ vỡ đập phân theo tuổi thọ đập

Tỉ lệ vỡ đập phân theo chiều cao của

đập bê tông

Tỉ lệ vỡ đập phân theo tuổi thọ đập

của đập bê tông

Hình 1.8 Tỉ lệ vỡ đập theo nghiên cứu của Limin Zhang et al (2016)

Ở Việt Nam, tính đến năm 2022 chưa ghi nhận sự cố vỡ đập bê tông, các sự cố

vỡ đập xảy ra là các sự cố của đập vật liệu địa phương (đập đất, đập đá đổ…) như đập xây dở Cửa Đạt – Thanh Hóa (2007); đập Đầm Hà Động- Quảng Ninh( 2014)…

1.2.1.2 Một số sự cố vỡ đập điển hình

a Trên thế giới

Tại Trung Quốc (từ 1954 ÷2019), đã ghi nhận tổng cộng hơn 2900 sự cố liên quan đến đập, trong đó có 3 sự cố vỡ đập lớn là Sự cố đập Bản Kiều (tháng 8/1975); Sự cố đập Thạch Mạn Than (tháng 8/1975) và sự cố đập Âm Dương Khỏa (ngày 13/2/1983) Tại Hoa Kỳ một số sự cố điển hình như: sự cố vỡ đập Kelly Barnes (ngày 06/11/1977), sự cố đập Lawn (ngày 15/7/1982), sự cố đập Delhi (ngày 24/7/2010 - Hình 1.9d), sự cố đập Oroville (tháng 2/2017)

Một số sự cố vỡ đập điển hình khác như: vỡ đập Gleno (Italia, ngày 01/12/1923 - Hình 1.9a); vỡ đập Möhne và đập Edersee (Cộng hòa Liêng bang Đức, ngày 17/5/1943 - Hình 1.9c); vỡ đập Malpaset (Pháp, ngày 29/11/1959 - Hình 1.9b) Gần đây, trên thế giới ghi nhận một số sự cố như: Sự cố vỡ đập Xe-Pian Xe-Namnoy, tỉnh Attapeu, Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào, xảy ra ngày 23/7/2018 làm chết ít nhất 29 người, 100 người mất tích và ảnh hưởng đến 6.600 người (Hình 1.9e) [30]; Sự cố vỡ Đập Swar – Chaung (Myanmar), xảy ra ngày 29/8/2018 làm 11 người thiệt mạng, hơn 100.000 người phải sơ tán (Hình 1.9f) [29]

b Tại Việt Nam

Ở Việt Nam, một số đập cũng gặp sự số như: đập Suối Hành (Khánh Hòa – tháng 12/1986), đập Am Chúa (Khánh Hòa - tháng10/1989; tháng 10/1990), đập xây dở Cửa Đạt (Thanh Hóa - tháng 10/2007- Hình 1.10a), đập Ia Krel 2 (Gia Lai - ngày 2/6/2013 - Hình 1.10b), đập Đakrong 3 (Quảng Trị - tháng 10/2012 - Hình 1.10e), đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh – tháng 10/2014 - Hình 1.10c, d), đập thủy lợi Hát Bầu (Quảng Nam - ngày 10/10/2020 - Hình 1.10.f) …

a Đập Gleno (Italia) b Đập Malpaset (Pháp)

c Đập Mohne (Đức) d Đập Delhi (Hoa Kỳ)

e Đập Xe-Pian Xe-Namnoy (Lào) f Đập Swar Chaung (Myanma)

Hình 1.9 Một số hình ảnh sau sự cố vỡ đập trên thế giới

(Nguồn:http://Vnexpress.net)

a Đập xây dở Cửa Đạt (Thanh Hóa) b Đập Ia Krel 2 (Gia Lai)

c Đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh) d Đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh)

e Vỡ đập Đakrông3 f Vỡ đập Hát Bầu (Quảng Nam)

Hình 1.10 Một số hình ảnh sau sự cố vỡ đập tại Việt Nam

(Nguồn:http://Vnexpress.net;http://Tuoitre.vn)

1.2.2 Nguyên nhân vỡ đập

a Nguyên nhân gây vỡ đập chung

Các nguyên nhân gây ra sự cố vỡ đập có thể do:

- Lũ vượt thiết kế: Mưa lớn kéo dài sinh ra lũ vượt khả năng thoát lũ của công trình tháo lũ;

- Địa chất yếu: thấm, xói mòn;

- Suy giảm chất lượng công trình (tuổi thọ công trình tăng);

- Vấn đề thi công: các khuyết tật, lỗ rỗng trong cấu trúc của đập;

- Yếu tố con người: sai sót trong thiết kế, xây dựng công trình, sai sót trong trong vận hành, do chiến tranh hoặc phá có chủ đích của con người;

- Một số nguyên nhân khác như động đất, trượt đất đá, băng tan, lở tuyết, dòng thấm…

Thống kê tỉ lệ nguyên nhân gây vỡ đập cho thấy một phần ba nguyên nhân gây ra

vỡ đập là do lũ vượt thiết kế Tỉ lệ nguyên nhân gây vỡ đập nói chung theo các tài liệu khác nhau được thể hiện tại Bảng 1.1

Bảng 1.1 Thống kê tỉ lệ nguyên nhân gây vỡ đập

[64] ICLOD

Thống kê của luận án *

3 Lỗi trong thiết kế, xây dựng, quy

trình vận hành sai, chiến tranh

“*”Số liệu tham khảo được luận án thu thập, cập nhật và bổ sung

b.Nguyên nhân gây vỡ đập bê tông

Chất lượng xây dựng công trình kém và lũ vượt khả năng xả của tràn là hai nguyên nhân chính gây ra hiện tượng vỡ đập bê tông và chiếm 73,2% [55], tỉ lệ nguyên nhân gây vỡ đập bê tông thể hiện chi tiết tại Bảng 1.2

Bảng 1.2 Nguyên nhân gây vỡ đập bê tông [55]

1.3 NGHIÊN CỨU VỀ HÌNH DẠNG VẾT VỠ ĐẬP BÊ TÔNG

Tùy thuộc vào vật liệu xây dựng đập, có thể phân ra hai dạng của vết vỡ: Vết vỡ đập xây dựng bằng vật địa phương (vật liệu rời) như đập đất, đập đá đổ và vết vỡ đập bê tông Mỗi loại vật liệu, kiểu đập sẽ có hình hạng và kích thước vết vỡ khác nhau khi xảy ra sự cố Dạng vết vỡ có thể là hình thang, hình tam giác (đập đất), hình chữ nhật (đập bê tông) [32]

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vỡ đập bê tông do đó các nghiên cứu sẽ tập trung váo đập bê tông Theo Bill Veale & Ian Davison và cộng sự (2013), khi đập bê tông bị vỡ, vết vỡ sẽ có dạng hình chữ nhật và vỡ thành nhiều khối, vị trí vỡ đập thường xảy ra ở giữa (chiếm tỉ lệ 30%) [34]

Đập Gleno, Italia, 1923 Đập Shih-Kang, Đài Loan,1999

Đập Austin, Texas -Hoa Kỳ, 1915 Đập Folsom, Hoa Kỳ, 1995

Hình 1.11 Một số sự cố vỡ đập bê tông [34]

Theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ, kích thước vết vỡ được đánh giá bằng tỷ số giữa chiều rộng trung bình vết vỡ so với chiều rộng toàn đập được thể hiện tại Bảng 1.3 [56]

Bảng 1.3 Các thông số vết vỡ của đập bê tông [56]

Loại đập Chiều rộng trung

bình vết vỡ

Độ dốc mái vết vỡ

(Hd)

Thời gian vỡ (giờ)

Dọc, thẳng dứng Dọc, thẳng dứng Dọc, thẳng dứng

0,1-0,5 0,1-0,3 0,1-0,2

USACE (2007) FERC NWS

USACE là U.S Army Corps of Engineers;

FERC là Federal Energy Regulatory Commission

Như vậy, đối với đập bê tông khi xảy ra sự cố, vết vỡ có dạng nhiều khối và dạng hình chữ nhật Do đó, khi mô phỏng sự cố vỡ đập bê tông, lựa chọn vết vỡ hình chữ nhật, dạng nhiều khối là phù hợp

Tóm lại, đối với vỡ đập bê tông hình dạng vết vỡ thường vỡ theo dạng khối, dạng mặt cắt vết vỡ thường có dạng là hình chữ nhật đây là điểm khác biệt giữa hình dạng vết vỡ so với đập vật liệu địa phương Đặc điểm này cũng được các nhà khoa học trên thế giới sử dụng để thiết lập bài toán nghiên cứu vế vỡ đập bê tông (được trình bày chi tiết trong mục 1.4 dưới đây) Tính chất này giúp nghiên cứu sinh định hướng rõ ràng hơn cho bài toán nghiên cứu để phù hợp với các nghiên cứu trước đây

1.4 NGHIÊN CỨU VỀ VỠ ĐẬP VÀ SÓNG GIÁN ĐOẠN

Khi xảy ra vỡ đập, dòng chảy qua vết vỡ là dòng không ổn định Vấn đề thủy lực dòng chảy không ổn định, biến đổi gấp trên lòng dẫn hở (vỡ đập) là một vấn đề khó, phức tạp Vấn đề này đã, đang và sẽ thu hút nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với mục đích tìm hiểu quy luật, các đặc trưng dòng chảy qua vết vỡ, đặc trưng vết vỡ, lưu lượng thoát qua vết vỡ, hay các đặc trưng của sóng gián đoạn do vỡ đập sinh ra

Có nhiều phương pháp nghiên cứu cho vấn đề vỡ đập như nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm (mô hình vật lý); nghiên cứu bằng giải tích (giải tích toán học và giải tích số); nghiên cứu bằng các mô hình số; nghiên cứu bán thực nghiệm (kết hợp giữa giải tích và thực nghiệm)

Hiện tượng vỡ đập và các đặc trưng sóng gián đoạn được các nhà nghiên cứu quan tâm từ cuối thế kỷ thứ 19 đến nay Các bài toán về vỡ đập từ sơ khai đến phức tạp, đượng nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau như nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thu thập, thống kê, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu trên mô hình số Đầu tiên, có thể kể đến nghiên cứu của Ritter (1892) thực hiện trên kênh lăng trụ hình chữ nhật có đáy bằng, hạ lưu không có nước (hạ lưu không có vật cản), kết quả đã mô

tả tương đối hoàn chỉnh về 3 giai đoạn phát triển của dòng chảy khi vỡ đập [60]

Phát triển nghiên cứu của Ritter, Stoker (1957), đã mở rộng điều kiện biên ảnh hưởng đến đặc trưng dòng chảy vỡ đập khi xét đến yếu tố mực nước tại hạ lưu [66] Đến những năm 90 của thế kỷ 20, Hunt,B (1982-1989), đã kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình vật lý để nghiên cứu, đã xác minh tính đúng đắn của các lý thuyết đã có về nghiên cứu vỡ đập với kênh lăng trụ đáy có độ dốc [48], [49], [50], [51]

Ngày nay, dựa trên thành tựu từ các nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, bổ sung làm rõ các đặc trưng, đặc tính của sóng gián đoạn Các nghiên cứu được thực hiện bằng các phương pháp mô hình vật lý, mô hình toán học và mô hình số

1.4.1 Nghiên cứu bằng lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu đặc trưng thuỷ động lực học hiện tượng vỡ đập bằng lý thuyết xuất phát từ hệ phương trình Navier - Stokes và Reynolds Các phương trình Navier Stokes được sử dụng cho dòng chảy tầng, xem chất lỏng không nén được và chuyển động là ổn định Các phương trình Reynold được sử dụng để nghiên cứu dòng chảy rối Trong nghiên cứu dòng chảy rối, thành phần lực khối do mạch động gây ra thường khó xác định và không giải được nghiệm Do đó, để giải bài toán thường sử dụng hệ phương trình Navier Stokes có bổ sung hệ số dòng chảy rối Hướng nghiên cứu này chỉ cho phép giải ra lời giải tổng quát, khi cần tìm nghiệm của đối tượng vỡ đập cần những điều kiện ban đầu mới tìm được lời giải cụ thể, phương pháp giải này cho kết quả khá đơn giản và chưa phù hợp với thực tế sự cố vỡ đập diễn ra nên gần đây ít được sử dụng (Wenjun Liu et al, 2018 [69])

Trong các nghiên cứu bằng lý thuyết hệ phương trình Navier- Stokes viết cho dòng chảy tầng có bổ sung hệ số rối, một số nghiên cứu tiêu biểu của các nhà khoa học trên thế giới như Ritter (1892); Whitham (1955), Stoker (1957), Hubert (1984, 1989)…ở Việt Nam có các nghiên cứu như Nguyễn Cảnh Cầm (2006), Lê Thị Thu Hiền (2015)

… đã sử dụng giải tích đơn giản, đường đặc trưng hay sơ đồ sai phân ẩn để giải bài toán vỡ đập Các nghiên cứu đã xây dựng và thiết lập các công thức xác định thông

số ban đầu của sóng gián đoạn như vận tốc, chiều cao ban đầu của sóng gián đoạn hay lưu lượng thoát qua vết vỡ tại thời điểm ban đầu…và xây dựng được sơ đồ đặc tính sóng gián đoạn như thể hiện trên Hình 1.12, [46]

Một số công thức xác định lưu lượng thoát qua lỗ vỡ, chiều cao ban đầu sóng gián đoạn được xây dựng bằng phương pháp lý thuyết của các nhà khoa học như:

+ Công thức của Hubert: Khi kênh hạ lưu không có nước (Hình 1.12.a);

Khi kênh hạ lưu không có nước xác định QP, hw như công thức (1.1)

Khi kênh hạ lưu có nước tức là khi 0,138 < hh

(1.5) Khi Fr =1,00 hw = 3,217hh