Bài viết trình bày kết quả tính toán mô phỏng cơ chế vỡ của đập tràn sự cố hồ chứa nước Yên Lập, tỉnh Quảng Ninh bằng mô hình toán EMBANK. Từ đó làm căn cứ tính toán điều tiết lũ xác định mực nước trong hồ chứa, kiểm tra sự an toàn của cụm công trình đầu mối.
BÀI BÁO KHOA HỌC ĐIỀU TIẾT LŨ THEO CƠ CHẾ VỠ CỦA ĐẬP TRÀN SỰ CỐ HỒ CHỨA NƯỚC YÊN LẬP- QUẢNG NINH Phạm Thị Hương1 Tóm tắt: Tràn cố xây dựng để xả lũ vượt thiết kế nhằm tránh cố xảy cụm cơng trình đầu mối đảm bảo an tồn cho hồ chứa Bài báo trình bày kết tính tốn mơ chế vỡ đập tràn cố hồ chứa nước Yên Lập, tỉnh Quảng Ninh mơ hình tốn EMBANK Từ làm tính toán điều tiết lũ xác định mực nước hồ chứa, kiểm tra an tồn cụm cơng trình đầu mối Từ khoá: đập tràn cố, đập tràn cầu chì, nước tràn đỉnh đập, chế vỡ đập ĐẶT VẤN ĐỀ* Phần lớn đập đất nước ta thiết kế, thi công khoảng 30 đến 40 năm trước nên yêu cầu thiết kế thấp (lũ nhỏ) Ngày nay, ảnh hưởng nhiều yếu tố (biến đổi khí hậu, thay đổi thảm phủ…) 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 Để tăng khả tháo lũ, với việc nghiên cứu mở rộng tràn chính, nâng cao trình đỉnh đập, người ta nghiên cứu tràn cố tháo kết hợp với tràn để giảm giá thành cơng trình tràn xả lũ Tràn cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ loại tràn sử dụng phổ biến hoạt động theo nguyên lý mực nước lũ vượt qua đỉnh đập đất đắp ngưỡng tràn cố, gây vỡ đập tràn cố hoạt động Thân đập đất ngưỡng tràn khối loại dùng hồ vừa, nhỏ hai khối: khối thượng lưu chống thấm, khối hạ lưu thường cát để gây mồi phá vỡ đập có nước tràn qua (Phạm Ngọc Quý, 2008) Trong lĩnh vực nghiên cứu thí nghiệm mơ hình vỡ đập vỡ đê chủ yếu thực hai đơn vị Viện Năng lượng (Trung tâm Thuỷ điện) Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam (Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sơng biển) Các nghiên cứu điển hình liên quan đến vấn đề 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 Sông Hinh” (Viện Năng Lượng, 2003), “Báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực tràn cố dự án thủy điện Trung Sơn” (Viện Năng Lượng, 2011) Dự án tiến hành thí nghiệm mơ hình vật lý nghiên cứu tượng vỡ đập tràn cố kiểu đập đất tự vỡ nước tràn đỉnh đập tràn cố thủy điện Sông Hinh thủy điện Trung Sơn Kết thí nghiệm xác định thời gian vỡ hình dạng đường viền xói theo thời gian Đề tài “Nghiên cứu đánh giá rủi ro thượng, hạ du xảy cố đập hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà” Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam tiến hành (Lê Văn Nghị, 2016) Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu vỡ đập, 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 cho nước tràn đỉnh đập, xác định đặc trưng thủy động lực học dòng chảy đập bị vỡ Cụm cơng trình đầu mối hồ chứa nước n Lập xây dựng sơng Míp thuộc địa phận huyện Hoành Bồ tỉnh Quảng Ninh từ năm 1978 sử dụng khai thác từ năm 1988 đến Cụm cơng trình bao gồm hạng mục chính: 01 đập chính, 02 đập phụ, 01 tràn xả lũ chính, 01 tràn Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 57 cố; 01 cống lấy nước, hệ thống kênh, v.v Cao trình đỉnh đập đập phụ 33,5m; Tràn cố kiểu nước tràn qua đỉnh đập đất gây vỡ, cao trình đỉnh 31,8m Khi tính tốn lũ với tần suất P=0,01% theo tiêu chuẩn đảm bảo an toàn ngân hàng giới (WB), đơn vị tư vấn coi tràn cố vỡ hoàn toàn mực nước hồ chạm mốc 31,8m Theo số nghiên cứu thực nghiệm chế vỡ đập tràn cố hồ thủy điện sông Hinh (Viện Năng Lượng, 2003), hồ thủy điện Trung Sơn (Viện Năng Lượng, 2011), thực tế vỡ đập phụ số đầm Hà Động-Quảng Ninh năm 2014 thấy điểm chung đập đất nước tràn đỉnh bị xói vỡ dần theo thời gian Vì vậy, quan điểm đơn vị tư vấn dùng tính toán chưa phù hợp với thực tế Tác giả đặt vấn đề cần tính tốn mơ chế vỡ đập tràn cố theo thời gian để có khoa học phục vụ cho tính toán điều tiết lũ nhằm kiểm tra làm việc an tồn đập Hình Đập tràn cố hồ Yên Lập CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơng thức tính tốc độ xói đất Nghiên cứu trình vỡ đập đất nước tràn đỉnh thường phải gắn liền với nghiên cứu chế xói đất đắp đập Các nhà khoa học giới có nhiều cơng trình nghiên cứu lĩnh vực thường chủ yếu nghiên cứu thực nghiệm, nhiều cơng thức tính tốc độ xói đề cập Các cơng thức thể mối quan hệ tốc độ xói đất với ứng suất cắt hiệu vận tốc dòng chảy Bảng tập hợp công thức số nhà nghiên cứu Bảng Các cơng thức tính tốc độ xói đất (Y.H Chen, Bradley A Anderson, 1987) TT 58 Tác giả Công thức Số hiệu Wiggert & Contractor E s v (1) Cristofano Qs Ke x Qw (2) Ariathurai & Arulanandan E M( 1) c (3) Agricultural Research Laboratory E Kđ ( c ) (4) Giải thích Cơng thức xây dựng từ đập vật liệu địa phương bị xói nước tràn đỉnh Trong Es tốc độ xói (Tấn/ngày/mét); v vận tốc dòng chảy mái hạ lưu (mét/giây); α = 0,25 β = 3.8 cho đất rời đất dính Cơng thức tính tốc độ xói cho đập đất bị vỡ nước tràn đỉnh Trong Qs tốc độ xói; Qw lưu lượng dòng chảy tràn; K hệ số; x = (b/H)tanϕ; b chiều dài đáy vết vỡ; H chiều cao cột nước tràn ϕ góc ma sát Cơng thức dùng để tính tốn xói đất dính Trong M hệ số tốc độ xói, có giá trị thay đổi từ 0,00012 đến 0,0012 (lb/ft2/s); τ ứng suất cắt dòng chảy τc ứng suất cắt tới hạn đất Công thức dùng để tính tốc độ xói đất dính Trong Kđ hệ số xói; τ ứng suất cắt dòng chảy τc ứng suất cắt tới hạn đất; α hệ số Kđ, τc, α thơng số phụ thuộc vào tính chất đất xác định thơng qua thí nghiệm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) Dựa vào việc đánh giá, so sánh kết tính tốn từ cơng thức với liệu thí nghiệm từ phòng thí nghiệm giới nghiên cứu trước đây, dạng công thức phù hợp lựa chọn công thức (4) Y.H Chen cộng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xây dựng nên cơng thức tính tốc độ xói ba loại đất sau (Y.H Chen, Bradley A Anderson, 1987): Với đập đắp đất có tính dính cao loại đất sét (chỉ số dẻo PI ≥ 10) E 0, 000086 ( , 085 ) , 91 (5) Với đập đắp đất có tính dính thấp loại đất sét, cát (chỉ số dẻo PI ≤ 5) E 0, 00022 ( ,053 ) , 43 (6) Với đập đắp đất khơng dính E , 00324 ( , 05 ) , (7) 2.2 Mơ hình tốn Y.H Chen Bradley A Anderson phát triển chương trình tính tốn EMBANK để xác định đường mặt nước tràn đỉnh đập bề mặt mái hạ lưu, vận tốc ứng suất cắt dòng chảy tràn cách cân phương trình mô men kết hợp với mối quan hệ thủy lực dòng chảy qua đập bao gồm: hệ số lưu lượng dòng chảy (đồ thị thực nghiệm), chế độ dòng chảy (đồ thị thực nghiệm), quan hệ nước nhảy (V T Chow, 1959), mối liên hệ vận tốc ứng suất cắt (hàm thực nghiệm) Hình thể sơ đồ tính tốn chương trình Hình Sơ đồ khối chương trình EMBANK KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 59 Dữ liệu đầu vào chương trình EMBANK gồm kích thước mặt cắt ngang đập, mực nước thượng hạ lưu cơng thức tính tốc độ xói đất (thể tính chất đất) – dạng cơng thức (4) Dữ liệu xuất vận tốc dòng chảy, ứng suất cắt dòng chảy điểm bề mặt mái hạ lưu, tọa độ điểm sau bị xói thời đoạn tính tốn Mơ hình tác giả sử dụng để tính mơ chế vỡ đập phụ số 2, hồ chứa đầm Hà Động, Quảng Ninh Kết tính tốn đánh giá tương đồng so với vết vỡ thực tế (Phạm Thị Hương, 2018) KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Bài toán Đập tràn cố hồ chứa nước Yên Lập gồm có phận ngưỡng tràn bê tơng mặt cắt thực dụng Bên ngưỡng tràn hai khối đất đắp: khối đất chống thấm phía thượng lưu khối cát thơ để gây mồi vỡ đập phía hạ lưu (sơ đồ hình 3) Hạng mục cơng trình tràn cố xây dựng năm 2010 có thơng số kích thước thể hình 3: tiết lũ thử dần từ kết tính tốn mơ vỡ đập Đầu vào mơ hình EMBANK mực nước thượng lưu, lại biến thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào kết tính điều tiết lũ Trong tính tốn tác giả phải tính thử dần, tức ban đầu giả thiết mực nước hồ tăng dần, xác định cao trình đập đất bị vỡ theo thời gian, quay lại tính điều tiết lũ xác định mực nước hồ, lấy kết thay trở lại vào mơ hình Lặp lại bước số lần liệu dần hội tụ 3.2 Kết tính tốn Kết tính tốn từ mơ hình EMBANK mơ q trình vỡ đập tràn cố theo thời gian kể từ thời điểm nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập Hình Quá trình vỡ đập tràn cố Hình Mặt cắt thiết kế đập tràn cố hồ Yên Lập (Công ty tư vấn CGCN-Đại học Thủy Lợi, 2011) Tính tốn điều tiết lũ xác định q trình xả lũ qua tràn tràn cố (cao trình tràn cố hạ thấp dần theo trình vỡ) đường trình mực nước hồ Từ mặt cắt thực tế, sơ đồ hóa tính tốn sau: khối cát thơ phía hạ lưu đập đất khơng dính, lấy cơng thức (7) để tính tốn xói; khối đất phía thượng lưu (đất đắp lớp 2) đất cát có tính dính thấp phù hợp với công thức (6); lớp đất màu trồng cỏ bề mặt mái hạ lưu nên ứng suất cắt tới hạn lấy tăng lên 40%, lấy theo công thức (8) E , 00022 ( , 0742 ) , 43 (8) Đưa số liệu vào mô hình tốn EMBANK để mơ vỡ đập kết hợp với việc tính tốn điều 60 Hình Đường q trình xả lũ mực nước hồ tính tốn KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) ĐƯỜNG Q TRÌNH TÍNH TỐN ĐIỀU TIẾT LŨ HỒ YÊN LẬP TRƯỜNG HỢP LŨ 0,01% 4000 35 34 3500 33 32 2500 31 2000 30 1500 H (m) Q (m3/s) 3000 29 1000 28 500 27 26 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Thời khoảng tính tốn Q đến Q xả tràn Q xả hồ Yên Lập Mực nước hồ Q xả tràn sợ cố Hình Đường q trình xả lũ mực nước hồ theo tính toán đơn vị tư vấn 3.3 Nhận xét Từ hình thấy t = 11,2 giờ, tính từ thời điểm bắt đầu trận lũ, nước lũ tràn qua đỉnh đập tràn cố Tuy nhiên, theo hình mơ q trình vỡ đập, thời điểm tràn cố chưa bị vỡ lập tức, mà tràn bị vỡ thời điểm t = 11,9 (tức sau nước tràn qua đỉnh đập 0,7 giờ) Cao trình đỉnh đập khơng hạ xuống cao trình 25 (cao trình ngưỡng tràn bê tơng) mà hạ thấp dần theo thời gian, điều phù hợp với thực tế trình vỡ đập đất Mực nước lớn hồ 32,8m lớn so với kết tính tốn đơn vị tư vấn 32,6m So với cao trình đỉnh đập 33,5m mực nước thấp hơn, có nghĩa đập đảm bảo an tồn trường hợp có lũ PMF (p=0,01%) Tuy nhiên, để khẳng định kết tính tốn cần phải đánh giá lại khả tự vỡ đập tràn cố có nhiều nguyên nhân tác động Ví dụ trình làm việc, đất đắp đập nén chặt, cố kết nên khả xói gây vỡ đập khó khăn hơn, tình hình phát triển cỏ mái hạ lưu đập, khuyết tật gây xói tập trung mái hạ lưu… KẾT LUẬN Mô chế vỡ đập tràn cố kiểu đập đất tự vỡ việc làm cần thiết nhằm kiểm chứng làm việc an tồn cơng trình Qua q trình tính tốn cho hồ chứa nước n Lập, tỉnh Quảng Ninh thấy rằng: Cơ chế vỡ đập tràn cố kiểu đập đất tự vỡ q trình theo thời gian, tính tốn điều tiết lũ mà coi đập vỡ hoàn toàn nước bắt đầu tràn đỉnh đập cực đoan, gây nguy hiểm cho cơng trình Kết cho thấy mực nước hồ tính tốn dựa theo q trình vỡ đập lớn mực nước tính toán đơn vị tư vấn Mặc dù hồ Yên Lập, mực nước đảm bảo an tồn Tuy nhiên, hồ khác chưa thể kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Công ty tư vấn CGCN-Đại học Thủy lợi, (2011), Kế hoạch sẵn sàng tình trạng khẩn cấp (EPP) kế hoạch ứng phó sẵn sàng tình trạng khẩn cấp (EPP) hồ Yên Lập – tỉnh Quảng Ninh Lê Văn Nghị nnk, (2016), Nghiên cứu đánh giá rủi ro thượng, hạ du xảy cố đập hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà Đề tài KC08.22/11-15 Phạm Ngọc Quý, (2008), Tràn cố đầu mối hồ chứa nước, Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Phạm Thị Hương, (2018), Nghiên cứu chế xói mặt đập đất nước tràn đỉnh, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật Viện Năng lượng, (2003), Nghiên cứu chế thủy lực tính tốn vỡ đập cầu chì cơng trình thủy điện, dự án thủy điện Sông Hinh Đề tài cấp Viện Năng lượng, (2011), Báo cáo kết nghiên cứu thí nghiệm mơ hình thủy lực tràn cố dự án thủy điện Trung Sơn Dự án sản xuất V T Chow, (1959), Open-Channel Hydraulics, McGraw-Hill Book Company, New York Y.H Chen, Bradley A Anderson, (1987), Development of a methodology for estimating embankment damage due to flood overtopping, US Department of transportation, No FWA/RD-86/126 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) 61 Abstract: FLOOD CONTROL DUE TO EMERGENCY SPILLWAY BREAK MECHANISM OF YEN LAP RESERVOIR, QUANG NINH PROVICE Emergency spillway works for discharging PMF (probable maximum flood) to avoid failure of headworks and ensure safety for reservoirs This paper presents the calculation results of breaking mechanism of emergency spillway of Yen Lap reservoir, Quang Ninh province using EMBANK software This result is used to calculate flood control to determine the water level in the reservoir, checking the safety of the headworks Keywords: Emergency spillway, Fuse plug spillway, dam overtopping, dam-breaking mechanism Ngày nhận bài: 24/7/2019 Ngày chấp nhận đăng: 23/8/2019 62 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 66 (9/2019) ... toàn cơng trình Qua q trình tính tốn cho hồ chứa nước Yên Lập, tỉnh Quảng Ninh thấy rằng: Cơ chế vỡ đập tràn cố kiểu đập đất tự vỡ trình theo thời gian, tính tốn điều tiết lũ mà coi đập vỡ hoàn... mơ trình vỡ đập tràn cố theo thời gian kể từ thời điểm nước bắt đầu tràn qua đỉnh đập Hình Quá trình vỡ đập tràn cố Hình Mặt cắt thiết kế đập tràn cố hồ Yên Lập (Công ty tư vấn CGCN-Đại học Thủy... cần tính tốn mơ chế vỡ đập tràn cố theo thời gian để có khoa học phục vụ cho tính tốn điều tiết lũ nhằm kiểm tra làm việc an tồn đập Hình Đập tràn cố hồ Yên Lập CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơng thức tính