Sự xúi ở hạ lưu cụng trỡnh thủy lợi là một hiện tượng phức tạp phụ thuộc vào nhiều nhõn tố: dũng chảy mặt, dũng thấm, điều kiện nền bờ, vị trớ đặt cụng trỡnh việc bố trớ cỏc bộ phận của cụng trỡnh,chế độ đúng mở cụng trỡnh… vỡ mỗi cụng trỡnh cú đặc thự và điều kiện riờng.
2.3.2.1. Nguyờn nhõn của điều kiện thủy văn.
- Xỏc định khẩu diện chưa đủ đỏp ứng yờu cầu tiờu ỳng của lưu vực với sự phỏt triển ngày càng tăng của sản xuất làm cho mực nước trước cụng trỡnh dõng cao. - Độ chờnh mực nước thượng hạ lưu ΔZ lớn, trong thực tế độ chờnh mực nước thượng hạ lưu lớn thường xảy ra trong trường hợp sau:
+ Trong đồng đang giữ nước tưới, ngoài biển vào lỳc con triều kiệt kộo dài từ 3 đến 4 ngày(đỉnh triều thấp, chờnh lệch đỉnh triều và chõn triều ớt)gặp trận mưa phải mở cụng trỡnh để tiờu kịp thời.
+ Trong quỏ trỡnh vận hành, mực nước hạ lưu rỳt nhanh hơn mực nước thượng lưu
- Khi độ chờnh mực nước ΔZ giữa thượng - hạ lưu làm tăng ỏp lực thấm dưới sõn sau và hai bờn bờ dễ gõy nờn hiện tượng đẩy nổi và độ dốc thủy lực lớn làm cuốn
trụi cỏc hạt, gõy xúi lở, cú thể gõy nờn hiện tượng xúi ngầm. Cú xúi ngầm sẽ tạo điều kiện thuận lợi nảy sinh xúi mặt hoặc xúi mặt gõy ra với mức độ lớn hơn.
Dòng thấm dưới nền
Dòng thấm bên bờ
H
MN Chân triềuTK MNTLTK
Hỡnh 2.5: Ảnh hưởng dũng thấm đến xúi lở hạ lưu cụng trỡnh
- Khi lũ đến vượt quỏ lũ thiết kế nước tràn qua cụng trỡnh với lưu lượng đơn vị lớn hơn nhiều so với thiết kế gõy nờn xúi lở hạ lưu.
- Cụng trỡnh chưa đỏp ứng được việc tiờu ỳng ở vựng tiờu chớnh, với trận mưa lớn gõy ra mực nước cao, duy trỡ dài ngày ở trước cụng trỡnh, nờn khi tiờu gõy độ chờnh mực nước lớn, dễ phỏ hủy nền và bờ.
- Vấn đề sai khỏc giữa tớnh toỏn và thực tế diễn ra, do khụng tớnh đỳng, do lý thuyết tớnh toỏn khụng phự hợp.
- Vấn đề đo đạc, dự bỏo cỏc yếu tố thủy văn chưa thõt chớnh xỏc. 2.3.2.2. Nguyờn nhõn của điều kiện thủy lực.
- Dũng chảy tập trung: Dũng chảy phõn bố khụng đều ở hạ lưu cụng trỡnh, dũng chảy tập trung chủ lưu, động năng dũng chớnh lớn vdmax>>[V]. Dũng tập trung q và V tăng lớn.
- Cụng trỡnh luụn làm ở điều kiện khụng gian: Đa số cụng trỡnh đang và đó xõy dựng đều cú chiều rộng nhỏ thua nhiều so với chiều rộng B của lũng dẫn hạ lưu B/∑b = 1,5ữ3. Sau cống tạo ra dũng xiờn dễ gõy ra xúi lở sau cống
- Khụng những thế mà nhiều khi chiều rộng cụng trỡnh nhỏ hơn rất nhiều bề rộng của lũng dẫn hạ lưu, lỳc đú tỷ số khụng gian tăng lờn nhiều. Trong trường hợp đú ở hạ lưu cụng trỡnh sẽ hỡnh thành dũng chảy tập trung cú động năng lớn.
Hỡnh 2.6:Dũng chảy ngoằn ngoốo sau cống
- Dũng nối tiếp sau cụng trỡnh ở dạng nước nhảy súng tiờu hao năng lượng ớt, nhiễu động mạnh ở hạ lưu dễ gõy xúi đỏy và hố xúi kộo dài.
- Độ chờnh lệch nước thượng – hạ lưu cụng trỡnh: Khi mức nước hạ lưu cú sự biến đổi lớn thỡ khụng phải chỉ cú độ chờnh ΔZ lớn mới bất lợi (xúi mạnh) mà trong điều kiện cụ thể nào đú độ chờnh ΔZ trung bỡnh vẫn cú thể là bất lợi, nhiều khi cũn bất lợi hơn cả trường hợp ΔZ lớn. Vớ dụ như khi độ chờnh ΔZ = 1,95m, vận tốc cuối phần bảo vệ là 1m/s, nhưng khi độ chờnh ΔZ = 0,75m vận tốc cuối phần bảo vệ tăng lờn 2m/s. Nguyờn nhõn chủ yếu là lỳc đú mực nước hạ lưu tương đối cao làm cho dũng chảy khụng khuếch tỏn được.
- Tổng lưu lượng Q qua cống quỏ lớn làm cho vận tốc trung bỡnh của dũng chảy sau cống tăng lờn quỏ mức bỡnh thường.
- Sau cỏc tường thẳng đứng ở phớa mỏi hạ lưu cú thể xuất hiện những chảy vũng gõy ra sự chảy xúi và dẫn đến khả năng xúi tăng.
- Do thi cụng cụng trỡnh chất lượng kộm, dũng nước mặt và dũng thấm phỏ hỏng cụng trỡnh.
- Do tiờu năng sau cụng trỡnh giải quyết chưa tốt (chỉ tiờu hao được 1/3 năng lượng) cho nờn dũng chảy tiờu này mónh liệt và kộo dài, gõy xúi lở mạnh hai bờn bờ
- Lưu lượng qua cụng trỡnh lớn gấp rưỡi Qtk, cụng trỡnh làm việc quỏ tải. Nếu khụng cú dũng xiờn thỡ cụng trỡnh vẫn bị xúi.
- Do nối tiếp từ cống ra hạ lưu bằng nước nhảy súng tràn qua bể , làm tờ liệt tiờu năng.
- Xúi lở ở mặt tiếp giỏp giữa cống và đờ, do xử lý ở mặt này khụng tốt sẽ dẫn đến sinh xúi tiếp xỳc khi súng đỏnh và khi cú dũng thấm từ sụng vào đồng hoặc ngược lại phỏ hoại cống.
- Lựa chon sơ đồ và mực nước tớnh toỏn tiờu năng chưa phự hợp với điều kiện làm việc của cống.
2.3.2.3. Nguyờn nhõn do thiết kế.
- Hỡnh thức và bố trớ kết cấu nhiều bộ phận chưa hợp lý hoặc thiếu cỏc bộ phận cần thiết để phũng chống xúi, như ngưỡng cống quỏ dài, cửa van tự động để quỏ lệch về phớa đồng, tường cỏnh mở quỏ đột ngột, bể nụng, mỏi bể khụng thoải, khụng cú hố dự phũng.
- Thiết kế phần gia cố sõn thượng lưu cũn quỏ sơ sài, khụng đảm bảo phũng xúi, kết cấu cụng trỡnh ở phớa hạ lưu khụng đảm bảo, phần tường mở quỏ rộng ở phớa cuối, khụng cú kết cấu vũng, điều này cú thể gõy ra sự chảy xúi của nước ở cuối tường. Ngoài ra gúc mở rộng trung tõm của tường là khoảng 500. Đối với kết cấu khụng cú tiờu năng là quỏ lớn. Vỡ thế sự chảy vũng cú thể xuất hiện ngay ở chỗ chõn tường và sự chảy vũng đú chớnh là nguyờn nhõn gõy ra xúi lở phỏ hủy kết cấu cụng trỡnh hạ lưu.
- Cỏc tài liệu và chỉ tiờu thiết kế như điều kiện địa chất, điều kiện thủy văn, tài liệu về lưu lượng, mực nước… khụng được thu thập đầy đủ.
- Sơ đồ tớnh chưa phự hợp với điều kiện thực tế: Khi thiết kế thường dựa vào lưu lượng và cột nước trong cống để tớnh ra cỏc độ sõu liờn hiệp của nước nhảy, rồi so sỏnh với mực nước hạ lưu để quyết định kớch thước bể tiờu năng. Trong thực tế cú
những trường hợp đặc biệt mà cụng trỡnh phải làm việc như: Lưu lượng lũ vượt quỏ lưu lượng thiết kế, mực nước hạ lưu thay đổi bất thường.
- Lý thuyết dựng trong thiết kế khụng phự hợp hoặc thiết kế sai với thực tế khỏch quan. Sau mỗi cống đều xõy dựng một bể tiờu năng, kớch thước bể tiờu năng và sõn sau đều phụ thuộc cỏc đặc trưng của nước nhảy, khi tớnh toỏn thụng thường ta thường sử dụng lý thuyết nước nhảy hoàn chỉnh trong dũng chảy ổn định. Tuy nhiờn hầu hết cỏc cống đều làm việc trong điều kiện khụng gian trờn khụng gian trờn mặt bằng. θ/2 θ/2 θ 1 Nước nhảy 1 h1 2 2 h2 Hỡnh 2.7: Dũng chảy sau cống
Dũng chảy nối tiếp hạ lưu rất phức tạp, dũng chảy dao động khụng cú quy luật từ đỏy cho đến bể mặt mỗi dao động đú sinh ra những súng rất khú triệt tiờu, cỏc súng này cú thể kộo dài hàng trăm một về phớa hạ lưu, năng lượng dư thừa khụng được giải phúng nhờ nước nhảy ngay sau cụng trỡnh gõy xúi lở nghiờm trọng đoạn sõn tiờu năng của hầu hết cỏc cụng trỡnh cống vựng triều.
Vỡ vậy vấn đề đặt ra là phải đưa ra lý thuyết tớnh nước nhảy phự hợp với điều kiện làm việc của cống. Trong tập san “Hội thảo khoa học cơ học Thuỷ khớ với Thiờn niờn kỷ mới” đó giới thiệu “Mở rộng lý thuyết về nước nhảy khụng ổn định và bể tiờu năng” trong đú đó đề xuất cụng thức cống thức tớnh độ sõu tương đối sau nước nhảy khụng ổn định: ( ) ( ) ( ) 2 1 2 1 2 8 1 2 (1 2 ) 2 1 2 Sh Sh Fr Sh Sh δ δ δ ξ δ + + + + + = + Chiều dài tức thời của nước nhảy:
( )( ) ( )( ) ( ) 1 ln 0, 9 1 0, 45 1 a a a a a ξ ξ λ ξ + − − − = − +
Khi độ sõu tương đối tức thời tại mặt cắt sau nước nhảy ξ=ξ2 thỡ phương trỡnh cho phộp xỏc định chiều dài tức thời của nước nhảy tức thời của nước nhảy tại thời điểm τ.
- Mực nước trước và sau cống thay đổi thường xuyờn trong một con triều và khỏc nhau giữa cỏc con triều, giữa cỏc chu kỳ triều, giữa thỏng này và thỏng khỏc.Dũng chảy qua cống ảnh hưởng của thuỷ triều diễn biến phức tạp nờn trong quỏ trỡnh tớnh toỏn thiết kế, lựa chọn tổ hợp mực nước bất lợi về tiờu năng là khú xỏc định, đồng thời tớnh toỏn để xỏc định hỡnh thức kết cấu tiờu năng hạ lưu cống vựng triều cũn thiếu tài liệu hướng dẫn.
2.3.2.4. Nguyờn nhõn do thi cụng.
- Thi cụng khụng theo đồ ỏn thiết kế như: Khi thi cụng tự ý thay đổi kớch thước kết cấu hoặc chi tiết cụng trỡnh, dựng vữa vụi thay thế cho vữa xi măng cỏt để xõy, bờ tụng thỡ rất xấu, nhiều lổ hổng, thấm nước mạnh, cốt liệu bảng cấp phối khụng đạt yờu cầu, cốt liệu thộp đều là vật liệu thừa dựng lại kộm chất lượng nờn khi đư vào sử dụng dễ nứt lỳn và hư hỏng
-Cụng trỡnh gần cửa sụng, cửa biển diễn biến phức tạp về địa hỡnh cũng như dũng chảy, ảnh hưởng dũng chảy sau cụng trỡnh. Địa chất lại yếu, khả năng chống lại lưu tốc dũng nước yếu dễ bị xúi lở. Phần lớn cỏc cống vựng cửa sụng đất rất yếu, thủy triều lờn xuống nhanh, sự xúi lở mạnh mẽ
- Chất lượng vật liệu xõy dựng khụng tốt thường là một khõu yếu cơ bản của cụng trỡnh, và thời gian càng lõu càng nghiờm trọng thậm chớ cú thể làm cho toàn bộ cụng trỡnh mất khả năng làm việc.
- Khụng sắp xếp tiến độ thi cụng trờn cơ sở khả năng thi cụng thực tế, lại khụng xột tới biện phỏp đề phũng bất trắc cú thể xảy ra mà chỉ xuất phỏt từ ý muốn chủ quan cố sắp xếp gấp rỳt thi cụng trong mựa kiệt. Khi tiến độ thi cụng thực tế khụng thực hiện kịp, mựa lũ đến và nước lũ về thỡ lại chỉ làm ảnh hưởng nghiờm trọng.
- Do quản lý vận hành hệ thống thuỷ lợi chưa hợp lý:
Đõy là nguyờn nhõn khụng nhỏ dẫn đến xúi lở hạ lưu cụng trỡnh: trong hệ thống cú nhiều cống khi mực nước trong hệ thống ở mức cao(do mưa lũ hay lợi dụng đỉnh triều mở cống lấy nước vào trong hệ thống nõng cao mực nước để tăng diện tớch tự chảy), nếu mở tiờu với số cống ớt hơn số cống cú trong hệ thống, tại cống vận hành cú thể sẽ xuất hiện chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn hơn so với tớnh toỏn, hoặc do đúng mở lệch cũng là nguyờn nhõn tạo ra xúi lở sau cống.
Qtk Qth Qth > Qtk a a' MN max Khu A Khu B Trục quay
Hỡnh 2.8: Ảnh hưởng của độ mở cửa van - Do mở của cống khụng đều (khi cống nhiều cửa), kẹt cửa.
Gõy ra tỡnh trạng lệch dũng sau cống. Dũng chảy xiờn tạo nờn cỏc xoỏy trục đứng ộp dũng chảy chủ gõy ra vận tốc dũng chủ lớn hơn khỏ nhiều so với giỏ trị trung bỡnh mặt cắt. Dũng xiờn thường khụng ổn định gõy ra xúi lở hạ lưu cụng trỡnh mónh liệt. Cỏc cống vựng triều làm việc phụ thuộc theo chế độ theo chế độ thủy triều hàng ngày, khi mở cống dũng nước liờn tục thỏo qua, độ chờnh lờch mực nước tăng dần khi thủy triều hạ thấp như thế dũng nối tiếp diễn ra nhiều dạng phức tạp. Đõy là một trong những nguyờn nhõn gõy ra hố xúi sau cống và sự xúi lở kộo dài, khụng ổn định vỡ việc tạo ra hố xúi lại làm hạ thấp đỏy kờnh thỏo, càng dễ tạo súng mặt và gõy ra sự phỏt triển hố xúi về phớa sau.
- Do giữa người thiết kế và người thi cụng.
Thường cú hiện tượng tỏch rời nhau, một số người thiết kế thường khụng xột đến hoặc rất ớt xột tới phương phỏp thi cụng của kết cấu cụng trỡnh, một số người thi cụng cũng khụng hiểu sõu sắc về đặc điểm kết cấu cụng trỡnh và ý đồ thiết kế. Do vậy chất lượng cụng trỡnh kộm.