Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (tt)

Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)Nghiên cứu cơ chế xói mặt của đập đất khi nước tràn đinh (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM THỊ HƯƠNG NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ XÓI MẶT CỦA ĐẬP ĐẤT KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số chuyên ngành: 62.58.02.02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Nguyễn Chiến Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đập đất Việt Nam chiếm tỷ lệ lớn tổng số đập xây dựng (khoảng 90% số hồ chứa thủy lợi đập đất) Phần lớn đập đất nước ta có tuổi thọ từ 30 đến 40 năm nên yêu cầu thiết kế thấp (lũ nhỏ) Ngày nay, ảnh hưởng nhiều yếu tố làm cho thời tiết cực đoan, mưa lớn, lũ lớn dẫn đến dễ gây nước tràn đỉnh đập Hầu hết đập nhỏ không đáp ứng tiêu chuẩn lũ nay, khả nước tràn qua đỉnh đập có lũ lớn Sự phát triển xói bề mặt đập tác dụng dòng chảy nguyên nhân chủ yếu dẫn đến vỡ đập Hiểu chế xói chìa khóa để giải thích tượng xói lở dự báo cố vỡ đập đất nước tràn đỉnh Vì đề tài “Nghiên cứu chế xói mặt đập đất nước tràn đỉnh” cần thiết góp phần đánh giá an toàn cảnh báo khả vỡ đập đất dự đoán khả tự vỡ đập tràn cố kiểu đập đất tự vỡ mùa mưa lũ Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng cơng thức thực nghiệm tính tốc độ xói đất tác dụng dòng chảy cho số loại đất thường dùng để đắp đập Việt Nam Các công thức làm liệu đầu vào cho chương trình tính tốn mơ vỡ đập đất nước tràn đỉnh – chương trình EMBANK Giải thích chế vỡ đập xây dựng biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ đập nước tràn đỉnh cho số loại đất đắp đập với cột nước tràn đỉnh thay đổi, nhằm phục vụ cảnh báo nguy vỡ đập cho vùng hạ du Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng: Luận án tập trung nghiên cứu tượng nước tràn đỉnh đập đất điều kiện Việt Nam Phạm vi nghiên cứu: - Các loại đất đắp đập có tính dính khác nhau, từ dính (lực dính C = 0,16 ÷ 0,19 kG/cm2) đến đất có tính dính lớn (lực dính C = 0,24 ÷ 0,30 kG/cm2) - Các đập đất có chiều cao phổ biến Việt Nam Hđ = ÷ 30m - Cột nước tràn đỉnh đập đất có khả xảy Việt Nam Ht = 0,2 ÷ 1,4m - Bài tốn phẳng: nghiên cứu vỡ đập theo phương đứng, khơng xét theo phương ngang - Chỉ nghiên cứu giai đoạn xói bề mặt đập bắt đầu bị vỡ (giai đoạn đầu trình vỡ đập) Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa Phương pháp thực nghiệm Phương pháp mơ hình tốn Phương pháp chun gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Lần Việt Nam tiến hành nghiên cứu xói mẫu đất máng thủy lực kiểu Fujisawa Từ đưa kết xác định tốc độ xói mái đập đất Ý nghĩa thực tiễn: Từ kết nghiên cứu giúp xác định trình vỡ đập để quản lý an tồn đập, cảnh báo ngập lụt hạ du tính toán thiết kế tràn cố kiểu đập đất tự vỡ ngưỡng tràn CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XĨI ĐẬP ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 1.1 đỉnh Tổng quan an toàn đập vật liệu địa phương nước tràn Đắp đập tạo hồ chứa biết đến phương pháp hiệu để quản lý, khai thác tổng hợp sử dụng hiệu nguồn nước Theo thống kê ICOLD cho 58.519 đập tồn giới đập vật liệu địa phương chiếm 76%, 63% đập đất Các thống kê khác giới thống hư hỏng xuất đập vật liệu địa phương (chủ yếu đập đất) chiếm phần lớn tổng số hư hỏng đập thống kê Các nguyên nhân dẫn đến hư hỏng đập đất bao gồm: nguyên nhân dòng thấm gây nên, sụt lún biến dạng, nước tràn đỉnh đập, v.v , nước tràn đỉnh đập nguyên nhân chiếm tỷ lệ lớn tổng số nguyên nhân gây cố đập (ICOLD 1995, Foster 2000, Costa 1985) Ở Việt Nam, theo thống kê ‘‘Tiêu chí đánh giá an tồn đập đất’’ Phạm Ngọc Quý, tổng số đập đất bị vỡ, vỡ mực nước lũ vượt thiết kế tràn qua đỉnh đập chắn chiếm tới 59% 1.2 Tổng quan chế xói vỡ đập 1.2.1 Cơ chế xói Trong trường hợp đập đất bị nước tràn qua đỉnh, dòng chảy lưu tốc lớn bề mặt mái hạ lưu đập gây xói Xói bắt đầu xảy ứng suất cắt sinh dòng chảy vượt ứng suất cắt tới hạn vật liệu Theo J.L.Briaud cộng 2007, đất dính lực tác dụng lên hạt đất bao gồm trọng lượng hạt, lực điện từ lực điện tĩnh, lực tương tác hạt đất, áp lực nước xung quanh hạt, trường hợp nước chảy với vận tốc có thêm ứng suất cắt xung quanh hạt đất Cơ chế xói đất dính bào mòn dần lớp hạt, hình thành vết cắt dòng chảy đưa khối đất, giới hạn khối đất hình thành tự nhiên mơi trường đất từ vết nứt nhỏ tượng kéo nén Đối với đất dính đất rời, hạt đất bị xói bị dịch chuyển, giải thích ba chế xói chủ yếu trượt, quay nhấc lên Chính chế xói đất dính đất rời bào mòn dần lớp hạt theo tốc độ phụ thuộc vào tính chất đất 1.2.2 Cơ chế vỡ đập đất Vỡ đập đất nước tràn đỉnh trình phức tạp có mối liên hệ tổng hợp nhiều yếu tố Đập đất bắt đầu bị vỡ phần thân đập bị nước mang toàn cao trình đỉnh đập bị hạ thấp so với ban đầu Vết vỡ hình thành đột ngột hay từ từ qui định chế xói bề mặt xói hố Xói bề mặt xuất giai đoạn đầu mà lưu tốc dòng chảy đủ lớn vượt qua lưu tốc tới hạn đất Khi xói bề mặt phát triển hoàn toàn chuyển sang giai đoạn xói hố Đối với đập đất dính, giai đoạn đầu q trình vỡ đập tượng xói bề mặt, sau hố xói hình thành chân đập phát triển dần lên mái hạ lưu đỉnh đập 1.3 1.3.1 Tình hình nghiên cứu chế vỡ đập Nghiên cứu giới Hiện nay, giới chủ yếu sử dụng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu chế xói vỡ đập Đối với việc nghiên cứu xói điều kiện nước tràn đỉnh đập, phương pháp mơ hình vật lý áp dụng việc nghiên cứu tượng xói mơ hình thu nhỏ đập Từ việc quan sát, đo đạc, thu thập, phân tích số liệu để đưa đánh giá xói đất, hình thành phát triển lỗ vỡ, ảnh hưởng vận tốc dòng chảy đến q trình vỡ Theo hầu hết tác giả, vỡ đập nước tràn đỉnh phân chia thành nhiều giai đoạn, giai đoạn q trình xói mái hạ lưu tạo thành hố xói, sau hố xói phát triển dần từ chân hạ lưu lên phía đỉnh đập tiến thượng lưu đỉnh đập vết xói ăn vào mép thượng lưu đỉnh đập Trong luận án giới hạn nghiên cứu cho giai đoạn đầu q trình vỡ đập Sử dụng kết thí nghiệm mẫu đất để đánh giá xói nước tràn đỉnh lựa chọn tốt khắc phục hạn chế thí nghiệm mơ hình vật lý Về nghiên cứu xói mẫu đất, ba phương pháp thí nghiệm phổ biến là: - Thiết bị thí nghiệm xói ống (HET) - Thiết bị thí nghiệm xói tia (JET) - Thiết bị thí nghiệm xói mẫu đất máng kính Dựa sở khoa học nghiên cứu vết vỡ, qua thí nghiệm mơ hình vật lý số liệu quan trắc lịch sử, số mơ hình tốn đời nhằm tính tốn mơ q trình phát triển lỗ vỡ Các mơ hình phân tích vỡ đập dòng chảy lũ sau vỡ đập phát triển theo ba hướng chính: - Thứ dự đốn trực tiếp dòng chảy vết vỡ, sau sử dụng cơng cụ mơ lũ lụt phía hạ lưu Một số mơ hình phổ biến thuộc loại DAMBRK, FLDWAV, SMPDBK trung tâm thời tiết quốc gia Hoa Kỳ; HEC-RAS hiệp hội kỹ sư quân đội Hoa Kỳ - Thứ hai tham số hóa thơng số vỡ đập, phát triển vỡ đập theo thời gian mô tả thuật ngữ tốn học đơn giản, cho phép xác định dòng chảy qua vết vỡ phương pháp kết hợp mô tả trình phát triển vết vỡ với phương trình thủy lực mơ hình thủy lực thích hợp Thuộc loại có mơ MIKE11, HEC-RAS, DAMBRK - Cách tiếp cận thứ ba kết hợp mơ tả q trình xói dòng chảy qua vết vỡ phát triển theo thời gian gây xói để tính tốn dòng chảy lũ Trước đây, số mơ hình chạy độc lập cung cấp liệu dòng thủy văn cho phân tích vỡ đập Ngày nay, có mơ hình tích hợp q trình mơ hình Các mơ hình tiêu biểu thuộc dạng BREACH, WinDAM B, EMBANK 1.3.2 Nghiên cứu Việt Nam Trong lĩnh vực nghiên cứu thí nghiệm mơ hình vỡ đập vỡ đê chủ yếu thực hai đơn vị Viện Năng lượng Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam Các nghiên cứu điển hình kể đến bao gồm: - Đề tài “Nghiên cứu chế thủy lực tính tốn vỡ đập cầu chì cơng trình thủy điện, dự án thủy điện Sơng Hinh”, “Báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực tràn cố dự án thủy điện Trung Sơn” Viện Năng Lượng thực Đề tài đánh giá chế vỡ loại tràn cố kiểu đập đất tự vỡ - Đề tài “Nghiên cứu sở khoa học đề xuất giải pháp khoa học công nghệ đảm bảo ổn định độ bền đê biển có trường hợp sóng, triều cường tràn qua đê” Ngơ Trí Viềng làm chủ nhiệm Đề tài tiến hành nghiên cứu gia tăng khả kháng xói mái đê biển tác dụng loại rễ cỏ tác dụng sóng tràn - Đề tài “Nghiên cứu đánh giá rủi ro thượng, hạ du xảy cố đập hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà” Lê Văn Nghị làm chủ nhiệm Đề tài có phần nội dung xây dựng mơ hình vật lý đánh giá tượng vỡ đập đá đổ cơng trình thủy điện Hòa Bình nước tràn đỉnh đập Các nghiên cứu có liên quan chưa có nghiên cứu trực tiếp vào vấn đề đánh giá chế xói để xác định thời điểm vỡ đập đất nước tràn đỉnh 1.4 Những vấn đề đặt hướng nghiên cứu Trong bối cảnh Việt Nam, mà nhiều đập phải làm việc điều kiện có nguy nước tràn đỉnh việc nghiên cứu đánh giá an toàn đập đất điều kiện mơ hình vật lý mơ hình toán cần thiết Mặc dù giới có nhiều nghiên cứu thực hiện, hầu hết đường thực nghiệm cố gắng để mô tả chế vỡ đập Tuy nhiên phương pháp lý thuyết thực nghiệm chưa thể giải thích rõ ràng chế vỡ đập phức tạp Trong lĩnh vực Việt Nam hạn chế nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Việc sử dụng kết thí nghiệm mẫu đất, kết hợp với mơ hình tốn tạo thành cơng cụ để phân tích mơ vỡ đập biện pháp khả thi mang lại hiệu cao nghiên cứu thực nghiệm, mà điều kiện làm thí nghiệm mơ hình đập tỷ lệ lớn khó thực Qua phân tích, đánh giá tác giả nhận thấy mơ hình tốn EMBANK mơ hình tính tốn vỡ đập dựa theo chế xói đất Vì vậy, hướng phát triển luận án nghiên cứu thực nghiệm xói mẫu đất để xác định tốc độ xói đất kết hợp với mơ hình tốn EMBANK để mơ q trình vỡ đập đất nước tràn đỉnh 1.5 Kết luận chương Đập đất loại đập xây dựng phổ biến từ trước đến Việt Nam toàn giới Theo thống kê nhiều tổ chức thống đập đất loại đập có tần suất xảy cố lớn so với hình thức đập khác Trong nước tràn đỉnh đập nguyên nhân chiếm tỷ lệ lớn tổng số nguyên nhân gây cố đập Với loại đất có tính dính khác (đất dính nhiều đất dính), chế xói khác Tuy nhiên, giai đoạn q trình vỡ đập, tượng xói bề mặt xảy chung cho đập đắp đất có lực dính khác Qua phân tích, đánh giá nghiên cứu trước lĩnh vực giới Việt Nam, tác giả lựa chọn phương pháp thí nghiệm xói mẫu đất kết hợp với mơ hình tốn EMBANK để nghiên cứu mơ chế xói vỡ đập đất nước tràn đỉnh CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ TỐC ĐỘ XÓI ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 2.1 Các khái niệm Vỡ đập tượng thân đập bị phá vỡ tính tồn khối, thân đập hình thành lỗ vỡ liên thơng từ thượng hạ lưu làm cho đập khơng thực chức chắn nước Trong phạm vi luận án chủ yếu tập trung nghiên cứu tượng vỡ đập đất tác động dòng nước tràn đỉnh gây Tràn đỉnh tượng mực nước vượt qua đỉnh đập phía hạ lưu Khả xói đất thuộc tính vốn có đất bị xói tác động dòng chảy mặt Tốc độ xói đại lượng đặc trưng cho khả xói đất, biểu thị khối lượng đất bị rời khỏi vị trí ban đầu đơn vị diện tích, đơn vị thời gian (đơn vị m3/s.m2) Vận tốc tới hạn tạo ứng suất tới hạn τc ứng suất đất bắt đầu bị xói Q trình xói mặt tượng đất thân đập bị dòng chảy có lưu tốc lớn vượt q lưu tốc tới hạn đất Thời gian bắt đầu vỡ đập khoảng thời gian tính từ nước tràn qua đỉnh đập đến vết xói phát triển tới điểm mép thượng lưu đỉnh đập, đỉnh đập bắt đầu xuất “lỗ vỡ” liên thông từ thượng lưu hạ lưu làm phần đỉnh đập bị hạ thấp Cơ chế vỡ đập diễn biến trình tương tác dòng chảy với đỉnh mái đập đất từ lúc nước tràn đỉnh đập hình thành lỗ vỡ liên thông từ thượng lưu hạ lưu đập 2.2 Các cơng thức tính tốc độ xói Từ nghiên cứu trước đây, nhiều công thức tính tốc độ xói đề cập Các công thức chủ yếu thể mối quan hệ tốc độ xói đất Hình Sơ đồ khối chương trình EMBANK Ghi chú: J thời đoạn tính tốn ITIME số thời đoạn giới hạn 11 2.5 Kết luận chương Tính chất đất đắp đập điều kiện dòng chảy hai yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến chế vỡ đập nước tràn đỉnh Cơng thức tính tốc độ xói đất thể mối liên quan đại lượng cho loại đất cụ thể, đồng thời thông số đầu vào số chương trình tính tốn vỡ đập Qua phân tích, đánh giá so sánh với kết thí nghiệm nhà nghiên cứu trước, dạng công thức (2-4) tác giả lựa chọn để xây dựng công thức thực nghiệm tính tốc độ xói đất Các nghiên cứu trước đưa số dạng công thức thực nghiệm dấu hiệu nhận biết để dự đoán ứng suất tới hạn đất Tuy nhiên, với loại đất, kết lại phụ thuộc lớn vào điều kiện thí nghiệm Vì việc nghiên cứu thực nghiệm để xác định τc cho loại đất cụ thể Việt Nam cần thiết đánh giá chế vỡ đập nước tràn đỉnh Tác giả nhận thấy phương pháp thí nghiệm Fujisawa phù hợp với nhiều loại đất, mặt khác thiết bị thí nghiệm lại đơn giản, phương pháp đo đạc trực quan, đặc biệt có tính khả thi điều kiện làm thí nghiệm luận án (dễ dàng chế tạo rẻ tiền) Vì vậy, tác giả dựa theo cơng trình nghiên cứu Fujisawa để chế tạo máng thủy lực tiến hành thí nghiệm để đạt mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm luận án EMBANK chương trình tốn thiết lập dựa quan hệ thực nghiệm, kết tính tốn chương trình tác giả kiểm định độ xác cách đánh giá, so sánh với kết thí nghiệm mơ hình tỷ lệ lớn Có thể sử dụng chương trình EMBANK để tính tốn xác định ứng suất cắt dòng chảy, dự báo chế vỡ thời gian vỡ đập Các số liệu đầu vào cần thu thập hình dạng mặt cắt đập, cột nước tràn, tính chất đất đắp (cụ thể cơng thức tính tốc độ xói - thơng số cung cấp thơng qua thí nghiệm), hình thức gia cố mái hạ lưu đập 12 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT HỢP VỚI MƠ HÌNH TOÁN XÁC ĐỊNH THỜI GIAN VỠ CỦA ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 3.1 Đặt vấn đề Thời gian bắt đầu vỡ đập khoảng thời gian tính từ nước bắt đầu tràn đỉnh đến đập bị vỡ Đây mốc thời gian quan trọng đánh dấu thời điểm đập bắt đầu bị vỡ Xói bề mặt đập tác dụng dòng chảy giai đoạn đầu trình phát triển vỡ đập Định lượng q trình xói xác định thời gian bắt đầu vỡ đập Hiểu rõ chế vỡ đập để có biện pháp ngăn chặn cố, cảnh báo nguy đề xuất giải pháp xử lý Khi lý thuyết chưa đủ sở để giải thích mơ chế xói vỡ đập xác định thời gian vỡ đập nghiên cứu thực nghiệm cần thiết chìa khóa để giải tốn 3.2 Phân loại đất theo khả chống cắt Đất dùng để đắp đập Việt Nam chủ yếu loại đất dính, nhiên lực dính thay đổi phạm vi rộng từ đất dính đến đất dính nhiều Tính dính đất có ảnh hưởng quan trọng đến khả xói đất chế vỡ đập bên cạnh thông số khác thành phần hạt, trọng lượng riêng, v.v Từ bảng thống kê tính chất đất loạt cơng trình thực tế xây dựng, phạm vi nghiên cứu luận án, phân đất thành ba loại : -Loại I : nhóm đất có tính dính lớn, lực dính C = (0,24 ÷0,30)kG/cm2 ; -Loại II : nhóm đất có tính dính trung bình, lực dính C = (0,20 ÷0,23)kG/cm2 ; -Loại III : nhóm đất có tính dính nhỏ, lực dính C = (0,16 ÷0,19)kG/cm2 Với nhóm đất, tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cho loại đất cụ thể: 13 - Đất A: thuộc nhóm đất loại I có lực dính lớn, đất lấy bãi vật liệu đắp đập hồ chứa nước Bi Zê Rê thuộc xã Đắk Som, huyện Đăk Glong, tỉnh Đắk Nông - Đất B: thuộc nhóm đất loại II có lực dính trung bình, lấy mỏ đất dùng để đắp đập – hồ chứa Đầm Hà Động, huyện Đầm Hà, tỉnh Quảng Ninh - Đất C: thuộc nhóm đất loại III có lực dính nhỏ, lấy mỏ đất dùng để đắp khối II đập phụ số – hồ chứa Đầm Hà Động, huyện Đầm Hà, tỉnh Quảng Ninh Đất thí nghiệm phòng xác định tính chất Bảng Bảng Tính chất đất thí nghiệm Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Đất A Đất B Đất C 0,95 0,95 0,95 Độ đầm chặt K Dung trọng khô g/cm3 1,54 1,61 1,48 Dung trọng tự nhiên g/cm3 1,95 1,92 1,88 Góc ma sát φ độ 14031 16036 17014 kG/cm2 0,269 0,207 0,17 Độ rỗng r % 44 58,9 42,5 Giới hạn chảy WL % 45,9 38,5 32,8 Giới hạn dẻo WP % 22,5 15,3 20,5 Chỉ số dẻo PI % 23,4 23,2 12,3 0,19 0,17 0,22 Lực dính C Độ sệt Is 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm chế vỡ đập đất nước tràn đỉnh 3.3.1 Xây dựng mơ hình Mơ hình đập đất đắp máng kính có chiều cao đập H = 0,5m; chiều dài đỉnh đập L = 0,5m; chiều rộng đỉnh đập B = 0,4m; mái thượng lưu m1 = 1; 14 mái hạ lưu m2 = Tỷ lệ chiều cao mơ hình lưu lượng thí nghiệm lựa chọn theo điều kiện phải thỏa mãn số Froude: (U / gL ) p  (U / gL ) m U lưu tốc , L chiều dài g gia tốc trọng trường Đất sử dụng để đắp đập đất A (tính dính lớn) đất C (tớnh dớnh nh) Đoạn tường gạch Đoạn tường gạch Hình Mơ hình đập đất thiết bị quan sát Bảng 3 Các trường hợp thí nghiệm Cột nước tràn Ht (cm) Cấp lưu lượng q (m3/s/m) 0,02 x 10 0,025 x 15 0,033 x 18 0,038 x Đất A Đất C Tiến hành xả nước điều chỉnh máy bơm theo cấp lưu lượng tính tốn để đạt cột nước tràn qui định Ghi lại tồn q trình xói vỡ đập trường hợp thí nghiệm 3.3.2 Phân tích kết Q trình thí nghiệm ghi lại camera quan sát đặt hai bên vai đập 15 diện phía hạ lưu Cắt ảnh từ video theo bước thời gian Δt = phút Từ hình ảnh thí nghiệm, tiến hành vẽ lại đường cong diễn biến mặt cắt đập theo bước thời gian Với đập đắp loại đất dính nhiều, q trình xói thường bắt đầu điểm chân hạ lưu đập sau phát triển dần lên đỉnh, chế vỡ ban đầu xói bề mặt, sau q trình hình thành vết xói thân đập dẫn đến vỡ đập Với đập đắp đất dính, xói q trình bào mòn dần toàn mái hạ lưu đỉnh đập, chế vỡ đập chế xói bề mặt Như vậy, đập đắp hai loại đất (đất dính nhiều đất dính), chế vỡ đập giai đoạn đầu chế xói bề mặt Đây sở cho nghiên cứu thực nghiệm tính tốc độ xói đất nghiên cứu giai đoạn đầu chế vỡ đập – chế xói bề mặt 3.4 đất Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng cơng thức tính tốc độ xói 3.4.1 Chế tạo thiết bị thí nghiệm Xây dựng hệ thống thiết bị phục vụ thí nghiệm mơ theo thiết bị thí nghiệm Fujisawa Thiết bị đo đạc q trình thí nghiệm bao gồm thiết bị đo mực nước, thiết bị đo vận tốc dòng chảy, thiết bị đo lưu lượng, thước đo chiều cao mẫu đất, camera quan sát, máy ảnh 3.4.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Để xác định tham số cơng thức tính tốc độ xói đất, ba chuỗi thí nghiệm thực cho ba loại đất A, B C Xử lý đất trước đầm mẫu: sàng qua sàng 5mm, phơi khô, nung để xác định độ ẩm tại, thêm lượng nước vừa đủ để đạt độ ẩm tối ưu; ủ đất 48 tiếng Chế tạo mẫu: xác định khối lượng đất dùng cho mẫu, chia khối lượng đất thành năm phần nhau, ống mẫu vạch khoảng chia tương ứng tiến hành đầm nện để đạt kích thước xác định 16 3.4.3 3.4.3.1 Tiến hành thí nghiệm Đo đạc xác định ứng suất cắt tới hạn τc Ống mẫu có chứa đất gắn vào lỗ khoét đáy máng kính, cần đo lưu tốc đặt đầu mặt cắt mẫu, đầu đo điện tử đặt cách đáy máng 1cm, cần nối với máy tính trung tâm để đọc giá trị vận tốc sát đáy dòng chảy Tiến hành xả nước với vận tốc dòng chảy tăng dần cách điều khiển độ mở van, quan sát mắt camera đến nhận thấy mẫu đất bắt đầu bị xói (độ đục nước thay đổi), đo vận tốc dòng chảy thời điểm tính tốn giá trị ứng suất cắt tới hạn τc theo công thức:   (1 / ) f  v (N/m2) (2-5) (với ρ khối lượng riêng nước, kg/m3; v vận tốc dòng chảy đo vị trí sát đáy, m/s; f hệ số Darcy-Weibach- phụ thuộc vào tính chất bề mặt đất) Mỗi loại đất tiến hành cho năm mẫu thí nghiệm, giá trị ứng suất cắt tới hạn τc loại đất lấy theo giá trị trung bình năm mẫu đo đạc 3.4.3.2 Đo đạc tốc độ xói Lắp ống chứa mẫu đất thí nghiệm lên máng kính, bề mặt mẫu bảo vệ nhựa dẻo Sau điều chỉnh lưu lượng cấp lưu lượng định, mở nhựa dẻo bề mặt mẫu để đo tốc độ xói Mẫu đất đẩy lên hệ thống vít me đảm bảo bề mặt mẫu ln ln bề mặt đáy máng Sau phút lại đọc số liệu chiều cao lại mẫu Với loại đất, tiến hành thí nghiệm đo tốc độ xói với cấp lưu lượng thay đổi Tính tốc độ xói đất theo cơng thức: E = (Δz/ Δt) (1 − r) = z˙(1 − r) (3-6) (với E tốc độ xói đất, cm/s; Δz chiều cao bị xói mẫu tính trung bình cho 10 phút đầu, cm; Δt thời gian, s; r độ rỗng mẫu đất) 3.4.4 Xây dựng công thức thực nghiệm Vẽ đường cong quan hệ thực nghiệm tốc độ xói E với hiệu τ-τc theo phương pháp đường hồi qui phi tuyến Từ kết thể Hình xác định hệ số Kđ α cho loại đất 17 Hình Đường thực nghiệm quan hệ tốc độ xói E hiệu ứng suất τ- τc loại đất Từ hình 3-20 đề nghị cơng thức tính tốc độ xói đất: Với đất A – đất loại I có tính dính lớn: E  , 0007 (  , 955 ) ,197 Với đất B – đất loại II có tính dính trung bình: E  , 0011 (  , 798 ) , 9737 Với đất C – đất loại III có tính dính nhỏ: E  , 0017 (  ,962 ) , 8253 3.5 Xây dựng biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ đập (Tv) nước tràn đỉnh 3.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng độ dốc mái hạ lưu đến thời gian bắt đầu vỡ đập Dùng chương trình EMBANK cơng thức tính tốc độ xói cho đất B để tính tốn xác định Tv số đập có cấu tạo nhau, mái hạ lưu thay đổi từ m2 = ÷ 15, Cột nước tràn Ht = 0,2 ÷ 1,0m Kết tính tốn nhận thấy độ dốc mái hạ lưu thay đổi khoảng m2 = ÷ độ dốc mái có ảnh hưởng không đáng kể đến Tv, m2 > lúc 18 Tv có thay đổi Với đập đất Việt Nam, độ dốc mái hạ lưu thường thay đổi phạm vi ÷ 5, mà coi mái dốc hạ lưu không ảnh hưởng đến thời gian bắt đầu vỡ đập nước tràn đỉnh 3.5.2 Xây dựng đồ thị Dùng chương trình EMBANK tính tốn xác định Tv cho đập cao H = ÷ 20m; đập có bảo vệ đỉnh dày 15cm, mái hạ lưu trồng cỏ với chất lượng trung bình; cột nước tràn đỉnh đập thay đổi từ Ht = 0,2 ÷ 1,4m Kết tính tốn đồ thị quan hệ thời gian bắt đầu vỡ đập (Tv) cột nước tràn đỉnh cho đập có chiều cao thay đổi 3.6 Kết luận chương Từ kết thống kê đất số công trình thực tế xây dựng Việt Nam, tác giả phân đất thành ba nhóm theo thay đổi lực dính Từ kết thí nghiệm nghiên cứu chế vỡ đập nước tràn đỉnh, tác giả thấy đập đắp đất dính nhiều, q trình xói thường bắt đầu điểm chân hạ lưu đập sau phát triển dần lên đỉnh, chế vỡ ban đầu xói bề mặt, sau q trình hình thành vết cắt thân đập dẫn đến vỡ đập; với đập đắp đất dính, xói q trình bào mòn dần tồn mái hạ lưu đỉnh đập, chế vỡ đập chế xói bề mặt Kết thí nghiệm xác định ứng suất cắt tới hạn τc công thức thực nghiệm tính tốc độ xói loại đất đặc trưng cho nhóm đất phân loại Tính tốn thời gian vỡ số đập nhận thấy m2 = ÷ hệ số mái m2 có ảnh hưởng khơng đáng kể đến thời gian bắt đầu vỡ đập Sử dụng chương trình EMBANK để tính tốn xây dựng biểu đồ xác định thời gian bắt đầu vỡ đập phụ thuộc vào cột nước tràn loại đất đắp đập 19 CHƯƠNG ÁP DỤNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH VỠ CỦA ĐẬP ĐẦM HÀ ĐỘNG – QUẢNG NINH KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 4.1 Giới thiệu cơng trình Đầu mối hồ Đầm Hà Động xây dựng sông Đầm Hà, xã Quảng Lợi, huyện Đầm Hà Hồ có nhiệm vụ cung cấp nước tưới cho 3500ha đất canh tác, tạo nguồn cấp nước sinh hoạt cho 29.000 người, cắt chậm lũ, ni trồng thủy sản, cải tạo khí hậu, tạo tiềm du lịch Cụm cơng trình đầu mối gồm: đập chính, ba đập phụ, tràn xả lũ, cống lấy nước, khu nhà vận hành quản lý 4.2 Sự cố xói mái đập vỡ đập phụ số mùa lũ năm 2014 Trong số nguyên nhân đề cập báo cáo kiểm định nguyên nhân quan trọng lũ lớn đồng thời bị kẹt cửa tràn nên nước tràn qua đỉnh đập, tràn qua tường chắn sóng chảy hạ du Hiện trạng cơng trình sau lũ: Đập chính: tồn mái hạ lưu bị nước tràn qua, xói mòn, mức độ tăng dần từ đỉnh đập xuống chân đập phía hạ lưu Trung bình xói sâu khoảng 1,5m, cục có chỗ sâu 3,5m tạo thành hàm ếch gây ổn định Mặt cắt đập bị phá hoại khoảng 1/3 phía hạ lưu Đập phụ số 2: bị vỡ hồn tồn, nước làm xói sâu xuống nền, phá huỷ hạ du, hình thành dòng chảy nối từ sau đập phụ số đến đuôi tràn, đất đá bồi lấp dọc theo dòng chảy 4.3 Tính tốn xói mơ q trình vỡ đập 4.3.1 Mặt cắt tính tốn Đập chính: thân đập đắp hai khối, hai khối đất có tính chất gần tương tự lấy chung cơng thức tính tốc độ xói đất B, mái hạ lưu trồng cỏ chất lượng trung bình, đỉnh đập có bảo vệ dày 14cm, tường chắn sóng cao 0,8m 20 Đập phụ số 2: thân đập đắp hai khối, khối I lấy theo tính chất đất B, khối II lấy theo tính chất đất C, cấu tạo khác đập 4.3.2 Mực nước tính tốn Theo kết tính điều tiết lũ phục dựng vết lũ đo cơng trình sau cố giá trị mực nước lớn vỡ đập thượng lưu 65,65m, cao đỉnh đập 1,15m cao đỉnh tường chắn sóng 0,35m Q trình mực nước hồ sau vỡ đập tính tốn thử dần EMBANK 4.3.3 4.3.3.1 Kết tính tốn xói vỡ đập Các kết tính tốn cho đập phụ số Đập phụ số bắt đầu bị vỡ sau nước vượt đỉnh đập 1,1 sau nước tràn qua tường chắn sóng 0.6 giờ, tức khoảng 36 phút sáng ngày 30-102014 Kết tương đối phù hợp với thời điểm vỡ đập thực tế (theo báo cáo nhân viên vận hành có xác nhận Trung tâm Thuỷ lợi - Giao thông Môi trường huyện Đầm Hà, đập bắt đầu bị vỡ sau khoảng kể từ nước tràn đỉnh đập, tức 30 phút) 4.3.3.2 Các kết tính tốn cho đập Đập khơng bị vỡ mà bị xói tồn bề mặt mái hạ lưu với chiều sâu xói trung bình từ 3,5 ÷ 4m Kết tính tốn cho thấy sau 1,1 (khi đập phụ số vỡ), tọa độ mặt cắt ngang đập khơng thay đổi, tức đập phụ bị vỡ, mực nước thượng lưu hạ xuống đập khơng bị tiếp tục xói Hình thể kết so sánh tính tốn xói mặt cắt ngang đập chương trình EMBANK với mặt cắt đập trạng sau cố (lấy theo hồ sơ sửa chữa đập Đầm Hà Động sau cố năm 2014) Nhận thấy mặt cắt đập bị xói tính tốn gần trùng với mặt cắt trạng xói đập, trị số sai số lớn 17,9% 21 Hình So sánh kết tính tốn xói đập theo EMBANK mặt cắt thực tế sau cố 4.4 Kết luận chương Luận án lựa chọn cơng trình nghiên cứu đập đất hồ chứa Đầm Hà Động, tỉnh Quảng Ninh (đập đập phụ số 2) Đây cơng trình đại diện tiêu biểu cho loại hình đập đất bị vỡ nước tràn đỉnh Việt Nam Dựa vào tài liệu thu thập được, tác giả xác định mặt cắt ngang đập vị trí xói sâu mặt cắt ngang đập phụ số vị trí vỡ; xác định diễn biến mực nước hồ; sử dụng cơng thức tính tốc độ xói đất liệu đầu vào cho chương trình EMBANK Tính tốn chế xói đất đập diễn biến vỡ đập phụ số Qua kết tính tốn cho cố đập đập phụ số 2, Đầm Hà Động, Quảng Ninh, nhận thấy phù hợp kết tính tốn với diễn biến thực tế cố cơng trình 22 KẾT LUẬN I Kết đạt luận án Nghiên cứu tổng quan Luận án đưa tranh tổng thể tình hình an tồn đập đất cho thấy rõ tầm quan trọng nguyên nhân nước tràn đỉnh đập gây vỡ Trong điều kiện làm việc đập đất Việt Nam đặt yêu cầu cần có nghiên cứu cụ thể chế xói đất vỡ đập đất nước tràn đỉnh Tác giả lựa chọn phương pháp thí nghiệm đo xói mẫu đất mơ hình máng kính, kết hợp với mơ hình tính tốn vỡ đập EMBANK để mơ chế vỡ đập đất nước tràn đỉnh Nghiên cứu thực nghiệm a) Luận án tiến hành thí nghiệm mơ hình đập đất bị nước tràn đỉnh máng kính, kết thí nghiệm mơ tả chế xói vỡ đập đất dính nhiều đất dính b) Tiến hành thí nghiệm đo đạc tốc độ xói ba mẫu đất đại diện cho ba nhóm đất có lực dính khác nhau, từ xác định cơng thức thực nghiệm tính tốc độ xói ba loại đất sau: - Đất có tính dính lớn: E  0, 0007 (  5,955 ) 1,197 - Đất có tính dính trung bình: E  ,0011 (  , 798 ) , 9737 - Đất có tính dính nhỏ: E  , 0017 (  3,962 ) ,8253 c) Ứng dụng cơng thức tính tốc độ xói đạt từ nghiên cứu thực nghiệm, kết hợp với chương trình tính tốn vỡ đập EMBANK, tác giả xây dựng biểu đồ xác định thời điểm bắt đầu vỡ đập đất đồng chất có chiều cao thay đổi từ 5m ÷ 20m 23 Nghiên cứu ứng dụng vào cơng trình thực tế Luận án ứng dụng chương trình EMBANK cơng thức tính tốc độ xói đất xác định từ thí nghiệm để tính tốn tái chế xói đập chế vỡ đập phụ số – Đầm Hà Động, tỉnh Quảng Ninh bị nước lũ tràn qua đỉnh đập Kết cho thấy phù hợp tính tốn diễn biến thực tế cố II Những đóng góp luận án 1) Thiết lập cơng thức thực nghiệm tính tốc độ xói ba loại đất đắp đập thuộc ba nhóm đặc trưng Việt Nam sở cơng thức thực nghiệm phòng thí nghiệm nghiên cứu nơng nghiệp Hoa Kỳ (ARL) 2) Mơ q trình xói mái đập vỡ đập phụ Đầm Hà Động theo mơ hình EMBANK kết thí nghiệm xói đất đắp đập III Tồn hướng phát triển Tồn - Do kinh phí thời gian hạn chế, thí nghiệm chưa phủ hết loại đất thường dùng để đắp đập Việt Nam - Xây dựng cơng thức tính tốc độ xói đất chưa xét ảnh hưởng số yếu tố khác độ đầm chặt đất, thành phần hạt, v.v… - Khi mô vỡ đập Đầm Hà Động mơ hình tốn EMBANK, có số giả thiết khác với thực tế dẫn đến sai số định tính tốn Hướng phát triển - Tiếp tục thí nghiệm để xây dựng cơng thức tính tốc độ xói cho nhiều loại đất khác nhau, từ đánh giá khái quát hóa thành công thức chung - Nghiên cứu ảnh hưởng nhân tố khác (độ đầm chặt, thành phần hạt, nhiệt độ nước, v.v ) đến cơng thức tính tốc độ xói đất - Xây dựng qui trình cảnh báo thời gian vỡ đập đất có nguy nước tràn đỉnh đập dựa vào liệu thí nghiệm kết hợp với mơ hình tốn 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Phạm Thị Hương, Tống Hồng Hiệp “Tính tốn điều tiết lũ cho hồ chứa có tham gia tràn cố kiểu đập đất tự vỡ” Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên – ĐHTL ISBN: 978-604-82-1710-5, tháng 11/2015 Phạm Thị Hương “Nghiên cứu đặc điểm xói đất đắp nước tràn đỉnh đập” Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp sở, ĐHTL năm 2015 Phạm Thị Hương “Thí nghiệm xác định tốc độ xói đất đắp tác dụng dòng chảy bề mặt” Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi môi trường ISSN1859 – 3941, số 53, tháng 6/1016 Phạm Thị Hương “Ảnh hưởng cốt liệu thơ đến tốc độ xói đất” Tuyển tập hội nghị khoa học thường niên – ĐHTL ISBN: 978-604-821980-2, tháng 11/2016 Phạm Thị Hương, Nguyễn Cảnh Thái “Nghiên cứu chế vỡ đất đắp đập nước tràn đỉnh” Tạp chí khoa học kỹ thuật Thủy lợi môi trường ISSN1859 – 3941, số 59, tháng 12/2017 (Đã chấp nhận đăng) Phạm Thị Hương, Nguyễn Cảnh Thái “Tính tốn xói mơ diễn biến vỡ đập Đầm Hà Động – Quảng Ninh” Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển Nơng thơn ISSN1859 – 4581, số 23, tháng 12/2017 ... đỉnh đập, chế vỡ đập chế xói bề mặt Như vậy, đập đắp hai loại đất (đất dính nhiều đất dính), chế vỡ đập giai đoạn đầu chế xói bề mặt Đây sở cho nghiên cứu thực nghiệm tính tốc độ xói đất nghiên cứu. .. nghiệm xói mẫu đất kết hợp với mơ hình tốn EMBANK để nghiên cứu mơ chế xói vỡ đập đất nước tràn đỉnh CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM VỀ TỐC ĐỘ XÓI ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH... tràn cố kiểu đập đất tự vỡ ngưỡng tràn CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XĨI ĐẬP ĐẤT VÀ CƠ CHẾ VỠ ĐẬP KHI NƯỚC TRÀN ĐỈNH 1.1 đỉnh Tổng quan an toàn đập vật liệu địa phương nước tràn Đắp đập