Sự khác biệt về cơ chế xói vỡ ban đầu giữa thiết kế và thực nghiệm của tràn sự cố kiểu đập tự vỡ ở hồ thuỷ điện sông Hinh, tỉnh Phú Yên

Sự khác biệt về cơ chế xói vỡ ban đầu giữa thiết kế
và thực nghiệm của tràn sự cố kiểu đập tự vỡ
ở hồ thuỷ điện sông hinh tỉnh phú yên
ThS. Nguyễn Bá Cường- Viện Năng lượng
PGS.TS. Phạm Ngọc Quý- Trường ĐH Thuỷ lợi.
Tóm tắt: Hồ thuỷ điện sông Hinh- Phú Yên được xây dựng để phát điện và sử dụng nguồn
nước. Trong cụm công trình đầu mối có tràn sự cố kiểu đập tự vỡ. Trong thiết kế có cơ
quan tư vấn giả thiết một cơ chế vỡ theo các lớp đất nằm ngang. Nhưng kết quả nghiên
cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý cho thấy một cơ chế vỡ đập khác với giả thuyết của cơ
quan tư vấn. Bài viết đề cập đến sự khác biệt về cơ chế xói vỡ ban đầu đó.
I. Một số nét tổng quan về hồ thuỷ điện sông hinh và tràn
sự cố hồ sông hinh
Công trình thuỷ điện Sông Hinh đã được xây dựng với công suất Nlm = 70 MW.
Gồm đập đất ngăn sông dài Lđ = 880 m, chiều cao lớn nhất Hđ = 43 m. Đập tràn xả lũ bằng
bê tông cốt thép đặt ở bờ trái, tiêu năng theo dạng máng phun, có mố phân dòng, lưu lượng
xả Qxả = 6952 m3/s.
Tràn sự cố với kết cấu thân tràn đắp bằng đất khai thác gần công trình và cát khai
thác tại mỏ cát Đức Bình Đông. Mái thượng lưu gia cố bằng đá lát. Mái hạ lưu đoạn trên
trồng cỏ, đoạn dưới bề mặt khối lăng trụ cát bằng đá lát. Kênh dẫn vào tràn có độ dốc i = 0,
Bđáy = 45.5 m, mái đào bờ kênh m = 2.5. Kênh xả sau tràn có độ dốc đáy đoạn đầu i =
0.0058, đoạn cuối i = 0.001, Bđáy = 35.5 m và mái đào m = 2.5.
Tràn sự cố kiểu đập tự vỡ hồ thuỷ điện Sông Hinh có mặt cắt ngang như hình 1, có các
thông số:
1

Vị trí

Bờ phải sông Hinh

2

Tần suất lũ thiết kế

P = 0.1%

3

Qlũ thiết kế

11640 m3/s

4

Kênh dẫn vào ngưỡng tràn có:

Bđáy = 45.5 m, i = 0.0, m = 2.5

5

Cao trình ngưỡng tràn

198 m

6

Chiều rộng đáy tràn

35.5 m

7

Cao độ đỉnh đập đất tự vỡ

211.85 m

8

Kênh xả sau ngưỡng tràn:

9



Bề rộng đáy ( Bđ)

35.5 m



Độ dốc đoạn đầu

0.0058



Độ dốc đoạn cuối

0.001

Hệ số mái (m)

2.5

Ngưỡng tràn ở cao trình

+ 198,0

1


225
220

Đất đắp đập mỏ số 5 K >= 0.95

215

Lăng trụ cát
212.35 MNL P = 0.1 %

210
1:2.

Đá lát dày 2.5 cm

205

1 :3

200
198
195

75

211.85
1 :2

1:25

.5
1 :1 198.00

198.00
1:2

Ia1

206.00

Ib

1 :2

1 :3 .75

i=0.0058

Ia2

II

196.00

25.0

28.0

Khoảng cách tự nhiên (m)

216.000

216.000

Cao độ tự nhiên (m)

215.000

212.500

190

76.0

Hình 1: Mặt cắt ngang tràn sự cố sông Hinh- Phú Yên
Nguyên lý hoạt động của tràn sự cố kiểu đập tự vỡ ở hồ thuỷ điện Sông Hinh: khi mực
nước trong hồ vượt đỉnh đập (+211,85) nước tràn qua đỉnh, làm xói chân mái hạ lưu. Xói làm
tăng cột nước tràn lưu lượng tràn đơn vị?lưu tốc dòng chảy. Từ đó làm tăng xói quá trình
đó diễn ra đến ngưỡng tràn (+198,0)
II. Thực nghiệm xác định cơ chế xói ở đập tràn sự cố sông hinh

Khi thiết kế cơ quan tư vấn đã giả định cơ chế xói theo các lớp đất nằm ngang, từ
đỉnh xuống đáy tràn sự cố khi mực nước hồ vượt qua đỉnh đập.
212.35 MNL P = 0.1%

211.85
1:2

1:2.7

5

206.00
1: 3.75

1:3

Hình -2: Cơ chế xói vỡ ban đầu của tràn sự cố sông Hinh theo thực nghiệm.
Thực nghiệm xác định cơ chế xói vỡ của tràn sự cố kiểu tự vỡ nhằm kiểm chứng lại
thiết kế mô hình được thiết kế theo tiêu chuẩn Froude tỷ lệ mô hình l =15. Hiện nay theo
qui trình nghiên cứu thí nghiệm mô hình vỡ đập: Qui trình SL164 95 được thống nhất cho
các Viện nghiên cứu toàn Trung quốc thì chọn loại mô hình tổng thể chính thái và vật liệu
đắp đập được tính theo lưu tốc khởi động.
Vật liệu trên mô hình, áp dụng phương pháp tương tự về lưu tốc khởi động, chúng
tôi đã chọn công thức tính cho vận tốc đáy của Mirkhulava [2]:

2


8.8 H 2 gm
1 o d 1.25CdT K

VKX lg

d 2.6 o n





(1 )

Trong đó:
H: Chiều sâu dòng chảy (m); d: Đường kính hạt (m); g: Gia tốc Trọng trường (m/s2); m: hệ
số đặc trưng cho các điều kiện dòng chảy; n:Hệ số quá tải; 1 và o: Trọng lượng riêng của
đất và nước (t/m3); CTd : Độ bền mỏi tiêu chuẩn
Đối với đất đắp phía thượng lưu của đập tràn sự cố sông Hinh với các thông số:
H= 0.0333m; d50=0.0011m; g= 9.81 m/s2; w = 1.08; c = 1.52; = 20o; cmax =1.68; =
2.65; C = 0.30kg/cm2; Wo = 17%; K = 1 x 10- 5cm/s; tính được vận tốc không xói cho phép
của nguyên hìnhlà 1,498m/s và vận tốc không xói trung bình trên mô hình là 0,387 m/s.
Đối với cát đắp hạ lưu với các thông số: H= 0.0333m; d50=0.0005m; g= 9.81 m/s2;m=1.2;
o=1.0T/m3; K= 0.5 tính được vận tốc không xói cho phép của nguyên hình là 1.06m/s và
vận tốc không xói trung bình trên mô hình là 0,27m/s. Chọn vận tốc không xói trung bình
trên mô hình bằng với ở nguyên hình, áp dụng công thức (1) một lần nữa, tính với loại vật
liêụ có sẵn, có thể mua được ở thị trường để làm vật liệu thí nghiêm, chúng tôi chọn được:
+ Với đất đắp thân đập trên mô hình mặt cắt, dùng cát vàng suối Kim Bôi Hoà Bình được
gia công qua các loại sàng: d = 3mm chiếm 3%; d = 3 2mm chiếm 8%; d = 2 1mm
chiếm 30%; d = 1 0.5mm chiếm 41%; d = 0.5 0.005mm chiếm 10%; d 0.005 mm
chiếm 8%.
+ Với cát đắp thân đập trên mô hình mặt cắt, dựa vào lưu tốc khởi động chọn loại cát nhỏ
có cấp phối hạt d50 = 0.17 mm có giá trị lưu tốc khởi động thí nghiệm Vkđ = 0.15 m/s 2.
áp dụng phương pháp phân tích thứ nguyên Phương pháp Buckingham 3, lập được

phương trình xác định Sery thí nghiệm . Thí nghiệm được thực hiện trong máng kính phòng
thí nghiệm Viện Năng Lượng. Tại mỗi thời điểm trong quá trình xói đường viền xói được
xác định. Sau đó thực hiện cứng hoá để xác định các đặc trưng thuỷ lực.
Tập hợp số liệu đo đạc, xác định cơ chế xói thực nghiệm 2được biểu thị ở hình 2.
III. đánh giá cơ chế xói vỡ ban đầu
Từ kết quả của thí nghiệm, chúng ta vẽ đường viền xói ở mỗi thời điểm như hình 2 và có
được cơ chế xói vỡ ban đầu
Hình dạng đường viền xói luôn luôn có dạng một mặt tràn ( đường dòng), khác với
dạng đường viền xói là đường thẳng nằm ngang như cơ quan tư vấn thiết kế giả thiết để tính
toán. Đây là dạng đường cho hệ số lưu lượng lớn nhất.


Nếu dừng hoá quá trình vỡ đập thì phần còn lại sẽ ổn định, dạng đường viền này có
quan hệ với phân bố ứng suất trong thân đập.

3




Quá trình vỡ đập đã xói đi theo từng lớp, dạng là đường cong có điểm uốn nằm ở giữa.



Tốc độ hạ thấp đỉnh đập, dựa vào tỉ lệ mô hình sẽ tìm ra được thời gian vỡ đập trong
thực tế. Két quả cho thấy thời gian vỡ tràn sự cố sông Hinh là gần 70 phút ngoài thực tế
( Xem Bảng 1, Hình 3)
Bảng 1. Quan hệ giữa Hđập (m) và thời gian t (phút) ngoài thực tế
Thời gian (phút)

0

46.5

50.3

54.2

58.1

62.0

69.7

Hđập (m)

13.85

12.62

11.35

9.91

7.45

5.15

0.00

H đ ậ p (m )
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0

10

20

30

40

50

60

70
t (p h ú t)

Hình -3: Quan hệ giữa Hđập.(m) và thời gian t (phút)
(Thực tế)

Quá trình vỡ đập không phát sinh sóng gián đoạn từ vị trí đập về phía lòng hồ.



Với hình thức phần cầu chì là lăng trụ cát được bảo vệ bằng lớp đá lát trên mái hạ lưu
đạt được một mục đích là dòng chảy tràn qua đập phá hoại chân đập và phá hoại thân
đập phía hạ lưu trước.



Thân đập tràn sự cố được đắp bằng 2 loại vật liệu: Phía thượng lưu được đắp bằng đất á
sét và lăng trụ phía hạ lưu được đắp bằng cát có đầm nện kỹ. Với mặt cắt đập có kích
thước đã thiết kế và đắp bằng 2 loại vật liệu trên đủ trọng lượng để ổn định và không
gây ra thấm ở chân đập khi nước chưa tràn qua đỉnh đập.



Trong thí nghiệm đã chọn loại vật liệu rời, không dính có cùng lưu tốc khởi động làm
thí nghiệm. Tuy vật liệu đắp mô hình không tương tự hoàn toàn cho nên đường viền xói
thu được qua thực nghiệm có thể chưa tương tự 100% với thực tế, cần tiếp tục nghiên
cứu bổ sung hoàn thiện. Song nó cũng phản ánh hiện tượng xói gần thực tế hơn là giả

4


thiết đường viền xói nằm ngang của cơ quan tư vấn thiết kế. Chính vì vậy, kết quả thu
được qua thực nghiệm có giá trị trong thực tế sản xuất.

Kết luận:

Tràn sự cố Sông Hinh thiết kế theo kiểu tự vỡ cần thiết phải thí nghiệm để kiểm
chứng thiết kế, xác định các đặc trưng thuỷ lực, nhằm rút ra những kết luận không những
để phục vụ cho thiết kế đập hồ thuỷ điện sông Hinh mà còn tạo ra cơ sở cho những nghiên
cứu tương tự tiếp theo. Qua thực nghiệm xói vỡ đập tràn sự cố kiểu đập tự vỡ, cho thấy thí
nghiệm về xói có nhiều vấn đề phải bàn bạc và cần có nghiên cứu tiếp theo.
Thực nghiệm xói vỡ đập tràn sự cố của hồ thuỷ điện sông Hinh đã đưa đến nhiều kết
quả định tính và định lượng, trong đó có kết quả về cơ chế xói vỡ ban đâù. Kết quả thực
nghiệm cơ chế xói vỡ có khác với thiết kế. Từ đó đã điều chỉnh các tính toán có liên quan.
Kết quả đó khẳng định mặt ưu việt của nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý.
Tài liệu tham khảo:
[1]. Hồ sơ thiết kế hồ thuỷ điện Sông Hinh Công ty Tư vấn XD Điện I
[2]. Nguyễn Bá Cường: Nghiên cứu thực hiện tràn sự cố kiểu đập tự vỡ hồ thuỷ điện Sông
Hinh Tỉnh Phú yên. Luận văn cao học Hà nội 2003.
[3]. Phạm ngọc Quý: Mô hình toán và mô hình vật lý công trình thuỷ lợi, phần : Mô hình
thuỷ lực công trình Bài giảng cho cao học và nghiên cứu sinh. Hà nội năm 1998

Abstract
Song Hinh hydro-power reservoir of Phu Yen Province will be build for electricity
generation and water regulation in future. There is an emergency weir in style of
free dam-break in headwork structures. An assuming of failure mechanism by
breaking of horizontal earth layer was proposed by Consultant Company in design.
The results of failure simulation on physical modeling test in laboratory indicated
that the assuming failure mechanism proposed by Consultant Company is not true.
This article will present the difference in this initial failure mechanism.

5