13.2 Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu của đề tài
(Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu có liên quan, những kết quả mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu đề tài, đánh giá những khác biệt về trình độ KH&CN trong nước và thế giới, những vấn đề đã được giải quyết, cần nêu rõ những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những hạn chế cụ thể, từ đó nêu được hướng giải quyết mới - luận giải và cụ thể hoá mục tiêu đặt ra của đề tài và những nội dung cần thực hiện trong đề tài để đạt được mục tiêu)
13.2.1. Luận giải về cần phải nghiên cứu xác định vận tốc không xói có xét đến mạch động đối với vật liệu đá và khối bê tông gia cố hạ lưu đập tràn xả lũ ở nhà máy thủy điện:
Dòng chảy sau khi chảy qua đập tràn xuống hạ lưu có năng lượng rất lớn, một phần năng lượng này được tiêu hao ở bể tiêu năng hoặc hố xói; phần khác tạo nên dòng chảy có vận tốc, mạch động vận tốc và sung vỗ sóng tác động lớn gây xói cục bộ và hai bờ.
Hiện nay có rất nhiều đập cao hơn 100m, tốc độ dòng chảy qua công trình xả lũ có vận tốc dòng chảy lớn từ 25m/s ÷ >40m/s. Ngoài ra, công trình tiêu năng và thiết bị tiêu năng ở hạ lưu có hiệu quả tiêu năng thấp, chính vì vậy vận tốc ở khu vực hố xói và hạ lưu vẫn còn cao (từ 20 ÷ 30m/s); mạch động của dòng chảy xáo trộn mãnh liệt, áp lực động biến đổi liên tục. Dòng chảy phóng xuống lớp nước đệm ở hạ du đã tạo thành hiện tượng chảy rối rất dữ dội và tạo ra dòng chảy quẩn xoáy, đồng thời nơi xuất hiện mạch động lớn nhất ở đáy sông cũng là nơi bị bào xói sâu nhất. Do vậy, người ta cho rằng vận tốc mạch động và áp lực mạch động chính là nguyên nhân bào xói lòng sông và gây xói lở hai bờ hạ lưu.
Khi dòng chảy phía hạ lưu có mức độ xiết lớn, sẽ có thể xẩy ra hiện tượng sóng truyền từ trên xuống dưới theo chu kỳ. Chiều cao của sóng khá lớn có thể vượt qua độ cao an toàn của bờ dốc nước, tạo nên áp lực động, sóng vỗ vào chân đập và hai bờ hạ lưu. Khi sóng truyền xuống dốc nước sự làm việc của hố tiêu năng sẽ bị rối loạn, và ảnh hưởng đến an toàn xói lở của hai bờ phía hạ lưu. Nguyên nhân chủ yếu để phát sinh sóng là khi tỷ lệ b/h lớn, độ dốc của dốc nước lớn, do ảnh hưởng của độ nhám đáy dốc, lớp nước gần đáy hầu như bị giữ lại còn lớp nước phía trên bị trượt đi với tốc độ lớn và sinh ra sóng vỗ vào chân đập và hai bờ.
Dòng chảy từ trên cao đổ xuống tạo xung vỗ vào các tảng đá hạ lưu, vỗ mạnh xuống nền và bờ, làm cho nền bị rạn, rồi nứt lở và cuối cùng dẫn đến phá hoại từng chỗ. Quá trình đó lặp lại và phát triển dẫn đến vết nứt mở rộng và nền bị phá hoại. Đây là giai đoạn đầu của sự hình thành xói. Xung vỗ mạnh có thể kéo theo những tảng đá bị bóc lên, thoát khỏi vị trí và bị dòng chảy mạnh mang về hạ lưu, tạo cho hố xói phát triển. Xung vỗ của nước rất lớn có thể mang theo nhiều tảng đá lớn xuống hạ lưu.
Đa số các công trình tháo đều bị xói ở hai bờ ngay sau phần gia cố cứng, trong giai đoạn bị phá hoại, lưu tốc trung bình trên mặt cắt ngang chưa trở lại trạng thái bình thường. Trong thiết kế, thường bố trí kết cấu gia cố hai bờ hạ lưu ở các dạng:
Gia cố bằng đá cỡ lớn, đá là loại vật liệu phổ biến cho việc gia cố mái nghiêng và được cung cấp tại chỗ. Có thể có các hình thức gia cố đá đổ, đá xếp và đá lát.
Gia cố bằng rọ đá, khi vận tốc dòng chảy ở ven bờ >3m/s người ta thường lát bảo vệ bờ bằng rọ đá để giảm khối lượng đá. Rọ đá có thể được thiết kế dưới dạng rọ đơn buộc liên kết với nhau hoặc là một dải thảm rọ dài liên tục. Loại kết cấu dạng con rồng đá lưới thép, là một kết cấu hình trụ, rất mềm dẻo và dễ biến dạng, có đường kính từ 0,6÷1,2m có chiều dài từ 6÷10m, có trọng lượng từ 1÷5 tấn, chiều dài rồng mềm uốn được theo địa hình.
Gia cố bằng bê tông và bê tông cốt thép, để gia cố mái, người ta sử dụng rộng rãi các bản bê tông cốt thép có kích thước và kết cấu khác nhau (đổ liền khối hoặc lắp ghép). Gia cố bằng bản bê tông hay bê tông cốt thép lắp ghép, kích thước của bản ở bình diện từ 1x1m ÷ 5x5m và có chiều dày từ 10÷30cm, tuỳ thuộc vào trị số và tính chất của tải trọng tác dụng. Các bản bê tông cốt thép đổ liền khối có kích thước lớn được sử dụng rộng rãi để gia cố mái các công trình đất chịu áp lực trên những hồ chứa nước lớn có sóng to với chiều cao sóng tới 3÷4m. Các bản có kích thước từ 5x5m ÷ 20x20m và lớn hơn, có chiều dày 15÷50cm được đổ bê tông tại chỗ.
- Gia cố bằng các khối dị hình, có nhiều loại khối bê tông dị hình khác nhau được sử dụng để phủ mái cho các công trình chịu tác động của áp lực sóng, mạch động và lưu tốc dòng chảy như các khối Tetropod, Tetraed, khối Tribar, khối Dolos, các khối bê tông hèm hai chiều...
Trên thực tế, gia cố bờ hạ lưu sau công trình xả lũ ở nước ta chủ yếu được ứng dụng vật liệu đá hộc, rọ đá hoặc tấm bê tông và bê tông liền khối. Trong quá trình vận hành xả lũ đã có những hư hỏng, sạt lở. Ví dụ sạt lở lớp gia cố đá đổ hạ lưu Thủy điện Lai Châu, lớp rọ đá ở thủy điện Tuyên Quang, lớp gia cố bê tông ở thủy điện Bản Chát, Trung Sơn...Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng kết cấu gia cố nói trên, trong đó một trong những nguyên nhân chính là do vận tốc, mạch động vận tốc lớn và sóng vỗ lớn ở hạ lưu.
Các tài liệu hướng dẫn mới nêu giá trị vận tốc trung bình xói trôi ở dòng chảy trong kênh dẫn, sông, việc vận dụng vào thiết kế gia cố hạ lưu đập tràn khi chịu đồng thời của vận tốc, mạch động vận tốc và sóng vỗ lớn chưa được hướng dẫn. Hầu hết các thiết kế kết cấu gia cố đều phải dùng các biện pháp kiểm chứng thông qua các thí nghiệm mô hình thủy lực. Chính vì vậy, cần phải có nghiên cứu, tính toán với các điều kiện thực tế khác, thậm chí cần phải thông qua nghiên cứu mô hình thủy lực. Một trong số các điều kiện thực tế đó là cần nghiên cứu tính toán vận tốc không xói có xét đến mạch động đối với vật liệu đá và khối bê tông gia cố hạ lưu đập tràn xả lũ ở nhà máy thủy điện.
Một số sự cố xói lở hạ lưu công trình thủy điện ở Việt Nam:
- Xói lở hạ lưu công trình thủy điện Lai Châu mùa lũ năm 2017
Vị trí sạt trượt công trình gia cố hạ lưu kênh xả MNTĐ Lai Châu:
+ Phạm vi vườn cây lô CX9 cao trình 230.0m từ mặt cắt DIII + 617m đến DIII + 913m bờ trái xuất hiện 03 cung trượt có độ mở vết nứt đến 20cm, chiều dài 36,16 ÷ 57,60m.
+ Phạm vi gia cố kênh xả hạ lưu bờ trái từ mặt cắt DIII + 600m đến DIII+1200m xuất hỉện hiện tượng sạt trượt gia cố đá đổ khoảng 50% tổng chiều dài gia cố, đặc biệt tại vị trí tiếp giáp giữa gia cố bê tông và đá đổ có hiện tượng xói lở sâu vào phạm vi gia cố bê tông tạo thành hàm ếch khoảng 1.5m.
+ Phạm vi gia cố đá đổ bờ phải xuất hiện, hiện tượng sạt trượt cục bộ từ cao trình 217m xuống cao trình 208m với chiều dài khoảng 30m phạm vi từ mặt cắt DIII + 700m đến DIII + 730m, đồng thời gia cố mái phun vẩy bê tông xuất hiện cung trượt với độ mở khe nứt khoảng 5,0cm, từ mặt cắt DIII + 585m đến DIII + 800m trong phạm vi từ cao trình 217m đến cao trình 265m.
+ Phạm vi hai bên chân mố cầu Nậm Nàn và cầu cứng qua sông Đà: Là tuyến đường độc đạo từ bờ trái đi lên đỉnh đập (NP1.2), cơ 217 (NP2) vai phải và là tuyến đường đi vào khu vực dân sinh các bản Huổi Chát 1, Huổi Chát 2, Nậm Nàn. Hiện trạng hai bên chân mố cầu đã bị sạt trượt nhiều có nguy cơ gây mất ổn định của cầu.
|
|
|
|
|
|
Hình 1.Một số hình ảnh về xói lở hạ lưu công trình thủy điện Lai Châu, 2017
|
Xói lở hạ lưu công trình thủy điện Bản Chát mùa lũ năm 2013
Công trình thủy điện Bản Chát được khởi công xây dựng vào tháng 1/2006. Mùa lũ năm 2012 dẫn dòng qua 2 khoang đập tràn số 3 và 4 phía bên phải do 2 khoang phía bên trái chưa hoàn thành công tác xây dựng. Tháng 3/2013 phát điện tổ máy số 1, tháng 6/2013 phát điện tổ máy số 2. Mùa lũ năm 2013 đã vận hành chính thức đập tràn.
Trong thời gian vận hành đập tràn xả lũ năm 2013, căn cứ vào lưu lượng lũ về hồ, để duy trì mực nước hồ chứa dao động quanh MNDBT = 475m đã tiến hành xả lũ qua các cửa van theo chế độ mở từng phần độ mở van cung. Lưu lượng xả lớn nhất đã tháo qua đập tràn năm 2013 đạt xấp xỉ 3500m3/s ứng với độ mở của 4 cửa van là 5,5m (trận lũ đầu tháng 9/2013).
+ Khu vực sạt lở: Trong quá trình xả lũ tạo thành một khu vực rộng lớn chịu ảnh hưởng bởi bụi nước. Dưới tác động của bụi nước (hiện tượng hóa mù của dòng lưu tốc cao trong áp suất khí quyển-mưa nhân tạo) làm cho mái đào khu vực hạ lưu bị ẩm ướt liên tục trong quá trình xả lũ, một số khu vực chưa kịp gia cố mái đã bị sạt (vai trái hố xói từ cao độ khoang 408m lên 475m, vai phải khu vực mái đường vào nhà máy đoạn cuối kênh xả).
|
|
Hình 2.Một số hình ảnh về xói lở hạ lưu, 9/2013
|
- Xói lở hạ lưu công trình thủy điện Trung Sơn mùa lũ năm 2018
+ Vị trí xảy ra xói lở: Sự cố xảy ra vào ngày 31/8 tại khu vực vai phải mái đào hố xói đập tràn của nhà máy thủy điện Trung Sơn từ cao độ 95m lên trên bị sạt trượt vào thời điểm mưa to và lũ lớn. Quan sát vai phải mái đào hố xói hạ lưu đập tràn: điểm sạt trượt cách đập khoảng 50m, quan sát vết lộ do sạt trượt phần sạt trượt đất đá thuộc đới IB và IA2, chân vết sạt cao độ 95m là đá gốc cứng chắc (đới IIA) có cao trình cao hơn nền đập khoảng 10÷15m (nền đập tại lòng sông nằm trên nền đá gốc ở cao độ 75m÷79m) nên không có khả năng phát triển về phía chân đập. Vết sạt có xu hướng phát triển lên trên đỉnh mái đào.
+ Tại khu vực sạt trượt từ cao trình 110,0m trở xuống, sau khi bơm cạn nước trong hố xói, hiện trạng hố xói như sau:
Chân khối sạt trượt ở cao trình 78,00m.
Đỉnh khối sạt trượt ở cao trình 192,80m.
Từ cao trình 78,00m trở cuống đến đáy hố xói (68,00m) khối bê tông gia cố không bị hư hỏng.
Ngoài ra, chân tấm bê tông gia cố bờ phải kéo dài từ hạ lưu đập về phía hạ lưu khoảng 250m đã vị xói lở mạnh, tạo nên hiện tượng tấm gia cố bị hổng chân.
|
|
Hình 3.Một số hình ảnh về xói lở do mưa + xả lũ qua đập tràn
|
|
